Окислювальний фосфорилирование. Фосфорилювання окислительное: механізм. Де відбувається окисне фосфорилювання. Інгібітори окисного фосфорилювання

Живі організми знаходяться в постійній і нерозривному зв'язку з навколишнім середовищем. Цей зв'язок здійснюється в процесі обміну речовин. Обмін речовин складається з 3 етапів: надходження речовин в організм, метаболізм і виділення кінцевих продуктів з організму.

Надходження речовин в організм відбувається в результаті дихання (кисень) і харчування. Джерелом енергії для людини служить розпад органічних речовин їжі. З поживними речовинами надходять переважно білки, полісахариди, жири, які в процесі травлення розщеплюються на більш дрібні молекули (глюкоза, амінокислоти, жирні кислоти, гліцерин). У клітинах ці речовини піддаються перетворенням, включаючись в метаболізм (обмін речовин). Вони можуть використовуватися для синтезу більш складних молекул ( анаболизм) Або розпадаються до кінцевих продуктів в процесах катаболізму.

катаболізм- процес розщеплення органічних молекул до кінцевих продуктів. Кінцеві продукти перетворень органічних речовин у тварин і людини - СО 2, Н 2 О і сечовина. У процеси катаболізму включаються метаболіти, які утворюються як при травленні, так і при розпаді структурно-функціональних компонентів клітин.

анаболизмоб'єднує біосинтетичні процеси, в яких прості будівельні блоки з'єднуються в складні макромолекули, необхідні для організму. У анаболічних реакціях використовується енергія, що звільняється при катаболизме.

біологічне окислення

Розпад речовин в тканинах супроводжується споживанням кисню і виділенням СО 2. При цьому виділяється енергія, необхідна для функціонування клітин. Вдихуваний кисень використовується для синтезу метаболічної води за участю водню окислюваних субстратів в процесі тканинного дихання.

SH 2 + ½ О 2 S + Н 2 О + енергія

Наприклад, окислення 1 моль глюкози відбувається з виділенням 2780 кДж енергії. Енергія окислюються речовин використовується клітинами для синтезу АТФ з АДФ. Фосфорилювання АДФ в клітинах відбувається шляхом приєднання Н 3 РО 4. Реакція йде з витратою енергії.

АТФ - молекула, багата енергією, оскільки вона містить дві макроергічні зв'язку. Деякі биосинтетические реакції в організмі можуть протікати за участю інших нуклеозидтрифосфатів, аналогів АТФ; до них відносять ГТФ, УТФ і ЦТФ. Всі ці нуклеотиди, в свою чергу, утворюються при використанні вільної енергії кінцевий фосфатної групи АТФ. Нарешті, за рахунок вільної енергії АТФ відбуваються різні види роботи, що лежать в основі життєдіяльності організму, наприклад, такі як м'язове скорочення або активний транспорт речовин.

При використанні АТФ як джерело енергії найчастіше відбувається гідроліз тільки однієї макроергічним зв'язку, при цьому виділяється близько 50 кДж / моль енергії і знову утворюється АДФ. Зміст АТФ в організмі людини невелика і складає близько 50 м з огляду на, що клітини не здатні накопичувати АТФ, а витрата енергії відбувається постійно, в організмі також постійно йде синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату Н 3 РО 4. За добу в організмі людини може синтезуватися до 60 кг АТФ.

Залежно від джерела енергії, що забезпечує приєднання фосфатного залишку, виділяють два типи фосфорилювання АДФ: окислительное і субстратное.

Субстратне фосфорилювання АДФ йде за рахунок енергії макроергічних зв'язків з'єднань (1,3-бісфосфогліцерата і фосфоенолпіруват, сукцинил-СоА). Цей процес може відбуватися як в матриксі мітохондрій, так і в цитоплазмі клітин незалежно від присутності кисню.

Окислювальне фосфорилювання АДФ - перетворення АДФ в АТФ відбувається з використанням енергії перенесення електронів від органічних речовин до кисню. Енергію для окисного фосфорилювання поставляють ОВР. Процес може відбуватися тільки в аеробних умовах за участю ферментів ланцюга перенесення електронів (ЦПЕ) та АТФ-синтази.

Окислювальне фосфорилювання АДФ - основний механізм синтезу АТФ в організмі. Воно відбувається в мітохондріях, які є основними постачальниками АТФ і можуть розглядатися як «енергетичні станції» клітини.

Мембрани мітохондрій сильно розрізняються за складом і функцій. Зовнішня мембрана вільно проникна для багатьох невеликих молекул до 5000кДа. Проникність внутрішньої мембрани обмежена і визначається наявністю білків-переносників. Внутрішня мембрана мітохондрії багата білками (80%). У неї включені всі ферментні комплекси та компоненти ЦПЕ, що відповідає за окисне фосфорилювання АДФ.

Одним з найбільших білків внутрішньої мембрани мітохондрій є АТФ-синтаза.

Це білок, що складається з двох олігомерних комплексів (F 0 і F 1). F 0 складається з 6 гідрофобних протомеров типу a, b, c, занурених у внутрішню мембрану мітохондрій і формують Н + - провідний канал. 3 додаткові субодиниці зв'язують комплекс F 0 з комплексом F 1. Комплекс F 1 виступає в матриксі мітохондрії і утворює «бульбашка» на внутрішній поверхні мембрани мітохондрії, що має активний центр для зв'язування АДФ ін 3 РО 4. У ньому відбувається фосфорилювання і утворення АТФ.

Межмембранное простір також грає роль у виробництві АТФ, так як може накопичувати протони, що створюють заряд на поверхні внутрішньої мембрани, необхідний для активації АТФ-синтази.

Матрикс мітохондрій складається з ферментів, ДНК, РНК і рибосом. ОВР в клітці відбуваються в матриксі мітохондрій. Найважливішими джерелами енергії служать реакції дегідрування. У реакціях дегідрування електрони і протони переходять від органічних субстратів на коферменти NAD- і FAD-залежних дегідрогеназ. Електрони, що володіють високим енергетичним потенціалом, передаються від відновлених коферментів NADH і FADH 2 до кисню через ланцюг переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. Відновлення молекули О2 відбувається в результаті переносу 4 електронів. При кожному приєднанні до кисню 2 електронів, що надходять до нього по ланцюгу переносників, з матриксу поглинаються 2 протона, в результаті чого утворюється молекула Н 2 О.

лок, що містить залізо і сірку (железосерний білок). Останнім в ряду переносників електронів варто комплекс- цитохром Аа3, званий цитохромоксидазой, оскільки він переносить електрони прямо на кисень. В процесі передачі електронів з цитохромоксидази на молекулярний кисень разом з двома железопорфіріновимі групами беруть участь пов'язані з железопорфіріна атоми міді, що супроводжується оборотним зміною їх валентності (Cu2 + - Сu1 +). Електрони послідовно приєднуються до атомів заліза цітохромокcідази, потім до атомам міді, і, нарешті, потрапляють на кисень; що надходить в мітохондрії з крові кисень зв'язується з атомами заліза в геме цитохрому «а3» в формі молекули О2, (подібно до того, як він зв'язується з гемоглобіном). Кожен з атомів молекули кисню приєднує послідовно два електрона, і два протона, перетворюючись в дві молекули води:

О2 + 4е- + 4Н + à 2Н2 О або ½О2 + 2е- + 2Н + à Н2 Про

Весь процес мітохондріального тканинного дихання можна зобразити у вигляді такої схеми:

	НАД.Н2 ФП.Н2
					2 Н +
				Fe2 +
											/ 2 О 2
						2c 1				2а3
			KoQ.H2								/ 2 О 2
	Ф + АДФ АТФ

6.4. окислювальне фосфорилювання

Процес перенесення протонів і електронів по дихальному ланцюгу, локалізованої у внутрішній мембрані мітохондрій, до кінцевого акцептору електронів - молекулярного кисню - супроводжується дуже великим зменшенням вільної енергії. Інакше кажучи, пересуваючись від одного переносника електронів до іншого, електрони опускаються, на все більш низькі енергетичні рівні, віддаючи порціями свою енергію. Оскільки відомі вели

чини редокс-потенціалів системи НАД.Н - НАД + (Е \u003d - 0,32 вольта) і сис-

теми Н2 О - ½О2 (Е0 \u003d + 0,81), можна розрахувати зміна стандартної сво-

168 6. \u200b\u200bБіологічне окислення

бодня енергії для випадку, коли пара електронів переноситься від НАД.Нк

молекулярного кисню (тобто проходить вcю дихальний ланцюг), використовуючи формулу:

D G ° "\u003d nFD Е

де D G0 '- стандартне зміна вільної енергії в калоріях; n - число стерпних електронів;

F - число Фарадея, рівне 23062 ккал;

D E0 - різниця редокс-потенціалів акцептора і донора електронів.

У нашому випадку D G0 '\u003d 2 × 23062 × 1,13 \u003d 52,12 ккал (218,22 кДж). Таким обра-

зом, при кожному переносі пари електронів з відновленого пірідінпротеіда (з НАД.Н2) на кисень виділяється 52,12 ккал (218,2 кДж) енергії.

При зіставленні цієї величини з величиною стандартної вільної енергії утворення АТФ з АДФ і фосфату, що дорівнює 7,3 ккал (30,4 кДж) очевидно, що зменшення вільної енергії при перенесенні однієї пари електро-

нов від НАД.Н на кисень досить велике для того, щоб забезпечити

можливість утворення кількох молекул АТФ з АДФ і фосфату за умови наявності відповідного механізму сполучення фосфорилювання АДФ з окислювальним процесом в дихальної ланцюга.

При розгляді енергетики дихального ланцюга виявилося, що в дихальної ланцюга є три ділянки, в яких перенесення електронів супроводжується відносно великим зміною стандартної вільної енергії (тобто вивільненням енергії), що перевищує величину стандартної вільної енергії утворення АТФ з АДФ і фосфату. Такими ділянками були: ділянка між флавопротеїдів і КоQ, ділянку між цитохромом «в» і цитохромом «с» і ділянку між цитохромом «а» і цитохромом «а3». Зменшення вільної енергії на цих ділянках составляет9,9-23,8 ккал (40-99,6 кДж), що значно перевищує величину стандартної вільної енергії утворення АТФ з АДФ і фосфату, рівну 7,3 ккал (30,4 кДж). В інших ділянках дихального ланцюга зменшення вільної енергії не настільки виражено і, мабуть, не може забезпечити утворення молекули АТФ.

Таким чином, мітохондріальна дихальна ланцюг нагадує каскадне пристрій, що поставляє клітці вільну енергію певними порціями.

Ідея про наявність сполучення фосфорилювання АДФ і тканинного дихання вперше була висловлена \u200b\u200bрадянським вченим В.А. Енгельгардтом на початку 30-х років. Згодом дослідженнями В.А. Беліцера, Очоа, Лумис і Ліпман, Кеннеді і Ленинджер, Мітчела, С.Є. Северина, В.П. Скулачева і ін. Була значною мірою розкрито сутність цього процесу.

Встановлено, що поєднане з передачею протонів і електронів по окіс- неністю-відновної ланцюга ферментів здійснюється найважливіший для життєдіяльності організмів процес-синтез АТФ з АДФ і Н3 РО4, тобто вивільняється при тканинному диханні енергія трансформується в енергію фосфатного зв'язку АТФ. Цей процес отримав назву «окисне фосфорилювання» і служить для акумуляції в макроергічних зв'язках АТФ близько 40% всієї енергії, що звільняється в процесі тканинного дихання.

При окисного фосфорилювання за допомогою дихального ланцюга і пов'язане з транспортом протонів і електронів по всьому ланцюгу відбувається активування неорганічного фосфату і передача його потім на АДФ з утворенням АТФ.

Активація фосфату відбувається на описаних вище трьох ділянках мітохондріального дихального ланцюга, що характеризуються підвищеним вивільненням вільної енергії.

У разі окисленнясубстратів піридинових дегідрогеназ і відновлених пірідінпротеідов на кожну пару атомів водню, що надійшла в дихальний ланцюг і окислилися до Н2 О, синтезується три молекули АТФ, що пов'язано із зазначеними трьома ділянками активування неорганічного фосфату і синтезом на кожному з них АТФ з АДФ і активованого фосфату. У разі окисленнясубстратів флавинових ферментів (наприклад, бурштинової кислоти) і відновлених флавопротеїдів образуется2 молекули АТФ, що пояснюється випаданням першої ділянки активування (ділянки між флавопротеїдів і КоQ).

Величина фосфорилювання виражається показником ефективності окисного фосфорилювання, що характеризується відношенням:

кількість етерифіковані фосфату (Вm АР)

кількість зв'язаного кисню (Вm АТ)

Це відношення, зване коефіцієнтом фосфорилювання і позначається як Р / O, виявляється різним в залежності від піддається окисленню субстрату і способу отримання мітохондрій. Для справжнього фосфорилювання, обумовленого реакціями в дихальному ланцюзі, ставлення Р / О дорівнює 3 (в цьому випадку відбувається окислення відновленого НАД і субстратів НАД-дегідрогенази) і 2 (у цьому випадку відбувається окислення відновлених флавопротеїдів і субстратів флавинових ферментів).

Процес окислювального фосфорилювання протікає всередині мітохондрій - субклітинних частинках специфічного будови. У клітинах їх може перебувати від кількох сотень до кількох десятків тисяч. Характерною особливістю будови мітохондрій є наявність у них двох мембран, з яких внутрішня має велику протяжність і утворює випинання

(Крісті), занурені у внутрішню основна речовина мітохондрій, зване матриксом. Товщина зовнішньої мембрани складає приблизно 7,0 нм, а внутрішньої мембрани - 5,0-5,5 нм.

Внутрішня поверхня внутрішньої мембрани покрита розташованими в певному порядку частинками сферичної форми (діаметром 8,0-9,0 нм), які отримали назву елементарних структурних одиниць.

Мембрани складаються з ліпідів (1/3 частина) і білків (2/3 частини), матрикс є студнеобразную, напіврідку масу, що складається приблизно на 50% з білка. Близько 20-25% загального білка внутрішньої мембрани складають білки ферментів, які беруть участь в утворенні дихального ланцюга

і окисного фосфорилювання, тоді як інші білки є структурними.

Дихальні ансамблі, що складаються з флавопротеїдів, убихинона, железосерних білків і цитохромів, розташовуються в площині внутрішньої мембрани мітохондрій, в основі елементарних структурних одиниць, які представляють собою, за сучасними поглядами, АТФ-азну систему

(АТФ-синтетазу), що включає особливі белкіF1 - F0 (фактори сполучення), що забезпечують фосфорилювання АДФ в АТФ в процесі перенесення електронів по дихальному ланцюгу. Дихальні ансамблі рівномірно розподілені по площині внутрішньої мембрани.

Усередині мітохондрій знаходяться також ферменти лімоннокіслого циклу, окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти, β-окислення жирних кислот, орнітінового циклу та ін.

Реакції лімоннокіслого циклу, процеси переносу електронів по дихальному ланцюгу і окисного фосфорилювання відбуваються всередині мітохондрій або на внутрішній поверхні внутрішньої мембрани. Тому молекули фосфату, АДФ, субстрати лімоннокіслого циклу і тканинного дихання, перш ніж піддатися окисленню, повинні спочатку проникнути

всередину мітохондрій. Однак внутрішня мембрана непроникна для катіонів Na +, К +, Мg +, аніонів С1, Вr-, NO3 -, Н +, цукрів (таких як сахароза), більшості амінокислот, окислених і відновлених НАД і НАДФ, нуклеозид-5-моно-, ди-і трифосфату (в тому числі АДФ і АТФ), коензиму А

і його ефірів.

Внутрішня мембрана проникна тільки для води, для невеликих нейтральних молекул, таких як сечовина і гліцерин, для жирних кислот з коротким ланцюгом.

Виявилося, що для перенесення специфічних метаболітів через мембрану внутрішня мембрана містить кілька ферментоподобних з'єднань (пермеаз або транслоказ). Такі переносники ідентифіковані для АДФ і АТФ, для фосфату і для деяких проміжних продуктів лімоннокісло-

го циклу (сукцината, малата, ізоцитрату, цитрату, цис-аконітата), а також для глутамату і аспартату.

Завдяки цим переносникам здійснюється складний двосторонній обмін проміжними продуктами лімоннокіслого циклу, фосфатом, АДФ і АТФ між цитоплазмою і внутрішнім відділенням мітохондрій. Зокрема, завдяки функціонуванню АДФ-АТФ-переносника, необхідну для окисного фосфорилювання кількість АДФ входить всередину мітохондрій через внутрішню мембрану, а одночасно еквімолекулярное кількість АТФ виходить з неї в цитоплазму.

Протони і електрони цитоплазматического НАД.Н (утворився, до

наприклад, на окислювальному стадії розщеплення глюкози в цитоплазмі) можуть надходити всередину мітохондрій непрямим шляхом, без перенесення самих молекул НАД. Це здійснюється за допомогою гліцерофосфатного або малатного човникового механізму. Припускають, що існує також лактатний човниковий механізм.

Аналогічний механізм здійснюється для переміщення протонів і електронів з мітохондрій в цитоплазму (що відбувається, наприклад, при біосинтезі глюкози з пірувату в цитоплазмі).

Сутність гліцерофосфатного човникового механізму зводиться до наступного. Цитоплазматичний НАД.Н2 спочатку реагує з цитоплазматическим фосфодіоксиацетон (одним з проміжних продуктів гліколізу), утворюючи гліцерофосфат. Ця реакція каталізується НАД-залежної цитоплазматичної гліцерофосфатдегідрогеназа.

цитоплазматическая

гліцерофосфат-

НАД.Н2

дегидрогеназа.

Утворився гліцерофосфат здатний легко проникати через мітохондріальні мембрани всередину мітохондрій, де внутрімітохондріальная флавін-залежна гліцерофосфатдегідрогеназа знову окисляє гліцерофосфат до фосфодіоксиацетон:

6. Біологічне окислення

мітохондріальна

гліцерофосфат-

дегидрогеназа.

ФАД.Н2

CH2 OH

Відновлений флавопротеид вводить придбані ним електрони в дихальний ланцюг (на КоQ), забезпечуючи окисне фосфорилювання двох молекул АДФ, а фосфодіоксиацетон виходить з мітохондрій в цитоплазму, де знову може служить акцептором електронів для нової молекули цитоплазматического НАД.Н2. Висловлюється також думка: окислення ФП.Н2 не призводить до образованію2 молекул АТФ, а призводить до вивільнення енергії у вигляді тепла.

Малатний човниковий механізм включає систему проміжних - зі єднань: оксалоацетат - малат. Цитоплазматичний НАД.Н2 спочатку реагує з оксалоацетата за участю цитоплазматичної малатдегідрогенази, що утворився малат за допомогою транслокази переноситься всередину мітохондрій, де під впливом мітохондріальної дегідрогенази дегидрирующей. про-

утворених НАД.Н окислюється флавопротеїдів дихального ланцюга міто-

хондр, шляхом окисного фосфорилювання утворюється три молекули АТФ. Вважають, що малатний човниковий механізм є найбільш активним механізмом перенесення відновлювальних еквівалентів з цитоплазми в мітохондрії.

Для пояснення механізму окисного фосфорилювання існує три гіпотези, а саме: гіпотеза хімічного сполучення, гіпотеза хеміосмотіческой сполучення і гіпотеза механохімічного або конформационного сполучення окислення і фосфорилювання.

В основі гіпотези хімічного сполучення лежить уявлення, згідно з яким передача енергії, що виділяється в процесі перенесення електронів по дихальному ланцюгу на АДФ з утворенням АТФ, здійснюється в серії послідовних реакцій, пов'язаних спільними проміжними продуктами, що містять макроергічні зв'язку.

З приводу можливої \u200b\u200bхімічної природи переносників існують різні судження. Цю роль приписують НАД, убіхінон, вітамінів К і Е, пептиду карнозину, адениловой частини молекули АТФ, карбоксильних і імідазольним радикалам поліпептидного ланцюга білка і ін. Припускають, що в різних точках фосфорилювання в дихальному ланцюзі можуть діяти різні переносники.

Однак до сих пір не вдалося довести реальне існування і ідентифікувати постульовані переносники.

Виявлення окисного фосфорилювання лише в мітохондріях, у яких збережена структура мембран, підвищило інтерес до двох інших гіпотез.

Було висловлено припущення згідно механохимической гіпотезі, що енергія, що вивільняється в дихальної ланцюга, використовується безпосередньо для перекладу внутрішньої мембрани (її білків) в нове багате енергією конформационное стан, яке, в свою чергу, стає рушійною силою окисного фосфорилювання, що призводить до утворення АТФ.

В даний час найбільш серйозне обґрунтування отримала гіпотеза Хемі-осмотичного сполучення, запропонована Мітчелом в 1961 році і отримала розвиток в дослідженнях радянського вченого. ВСкулачева.П (1972 р). У 1978 р Мітчелу за розробку Хемі-осмотичної гіпотези було присуджено Нобелівську премію.

Виходячи з того, що мітохондріальна мембрана є істотним елементом механізму окисного фосфорилювання і що вона непроникна для іонів водню (Н +), згідно хеміосмотіческой гіпотези передбачається, що при тканинному диханні в процесі руху електронів уздовж дихального ланцюга кожна пара електронів, що поставляється НАД.Н2, тричі перетинає мембрану мітохондрій і в підсумку переносить три пари протонів з внутрішньої частини мітохондрій через мембрану назовні (в межмембранное простір). В результаті транслокації протонів через мембрану на внутрішній мембрані виникає протонний градієнт, який представляє собою форму запасання вільної енергії. Загальна енергія протонного градієнта складається з концентраційного (або осмотичного) компонента, що визначається різницею рН по обидва боки мембрани, і електричного компонента, обумовленого рухом позитивно заряджених протонів через мембрану (різниця рН приблизно \u003d 1,4 одиниці, електричний потенціал- близько 140 мВ.) . Через різницю в концентраційному і електричному потенціалі протони, винесені з мітохондрій, прагнуть перетнути мембрану в зворотному напрямку. Зворотний рух протонів через мембрану (через протонні канали - білок Fо) під впливом протонного градієнта здатне привести до роботи, такої як фосфорилювання: АДФ + Ф® АТФ + НОН. Передбачається, що два протона, що переносяться під впливом градієнта білком Fо через мембрану (через протонний канал) взаємодіють з одним з кислородов фосфату, пов'язаного з белкомF1 ферментного комплексу F1 - F0 АТФ-синтетази, що призводить до вивільнення кисню з утворенням води і робить фосфатну групу високореактівние і здатної зв'язуватися з АДФ з утворенням АТФ. Встановлено, що на кожні два протона, пересе-

кающих комплекс F1 - F0 утворюється одна молекула АТФ з АДФ і активованого описаним способом неорганічного фосфату.

Характерна особливість розглянутої гіпотези полягає в тому, що освіта АТФ в процесі окисного фосфорилювання відбувається без участі високоенергетичних проміжних продуктів. Роль проміжної ланки, рушійною силою процесу служить електрохімічний потенціал (протонний градієнт), що виникає на мембрані мітохондрій за рахунок енергії, що виділяється в процесі перенесення електронів по дихальному ланцюгу. Згідно зі спостереженнями В.П. Скулачева, в процесі дихання на мембрані мітохондрій, хлоропластів і бактерій дійсно виникає мембранний потенціал, достатній для енергетичного забезпечення реакції синтезу АТФ з АДФ і фосфату.

Слід, однак, сказати, що ряд молекулярних механізмів окисного фосфорилювання в мембранах мітохондрій все ще не ясні (механізм

перенесення Н на зовнішню поверхню внутрішньої мембрани, механізм використання енергії АТФ-синтетазой).

Не слід думати, що будь-який окислення органічних сполук в живих організмах пов'язане з фосфорилюванням, так само як і фосфорилювання не обов'язково має бути окислювальним. В даний час відомо кілька сот реакцій окислення, але менш десятка їх пов'язане з одночасним активированием неорганічного фосфату.

Крім окисного фосфорилювання розрізняють також субстратне фосфорилювання.

Реакції розщеплення субстрату, що супроводжуються передачею енергії безпосередньо неорганическому фосфату з утворенням в результаті цього іншого фосфорилированного субстрату з макроергічним зв'язком, називають субстратним фосфорилюванням. В цьому випадку не бере дихальна ланцюг ферментів і не відбувається перетворення енергії, що виділяється в процесі перенесення електронів на кисень, в енергію фосфатного зв'язку АТФ.

Як приклад субстратного фосфорилювання можна привести реакцію перетворення сукцинил-КоА в бурштинову кислоту з утворенням ГТФ з ГДФ і фосфату і подальшої освіти АТФ, має місце в лимоннокисле циклі.

Біосинтез АТФ в тваринному організмі здійснюється з АДФ і неорганічного фосфату при активації останнього за рахунок енергії окислення органічних сполук при метаболічних процесах в організмі.

Іншим джерелом енергії для активування неорганічного фосфату в живому організмі і забезпечення синтезу АТФ може служити енергія сонячного світла, вловлюється фотосинтетичним апаратом клітини. Таке фосфорилювання називають фотосинтетичним. Воно властиво рослинам.

Нарешті, енергія для тих же цілей може надходити за рахунок реакцій окислення неорганічних сполук. Поєднане з окисленням неорганічних речовин фосфорилирование називається хемосинтетичних. Воно властиве деяким видам мікробів.

Обсяг окисного фосфорилювання в значній мірі залежить від проникності мембрани мітохондрій. Мітохондріальна мембрана може пропускати всередину мітохондрій за допомогою гліцерофосфатного або малатного човникового механізму більшу або меншу кількість відновлювальних еквівалентів з НАД * Н2, які включаються тут в процеси окисного фосфорилювання, тоді як на поверхні мітохондрій в цитоплазмі НАД.Н2 окислюється вільно, при цьому не утворюється АТФ, а виділяється енергія перетворюється в тепло. Однак і всередині мітохондрій може статися перемикання з окислення, сполученого з фосфорилюванням, на вільне окислення (і назад), супроводжуване утворенням тепла. Це відбувається при роз'єднанні перенесення електронів і фосфорилювання в дихальному ланцюзі, що може статися, зокрема, при зниженні температури або дії деяких хімічних речовин (заміщених фенолів, наприклад, 2,4-динитрофенола, фенілгідразонов, граміцидину, арсенату, дікумарола, тироксину і ін.). Слід зауважити, що дія хімічних разобщітелей (так званих іонофоров), здатних нівелювати протонний градієнт шляхом перенесення протонів через мембрану мітохондрій в зворотному напрямку - в матрикс, послужило важливим доказом Хемі-осмоти- чеський гіпотези сполучення фосфорилювання і тканинного дихання. Значні дослідження в цій області були виконані В.П. Скулачов.

В.П. Скулачовим також була продемонстрована Теплотворна функція мітохондрій при багаторазовому охолодженні організму. У новонароджених і у деяких тварин, що впадають в зимову сплячку, виявлені спеціалізовані мітохондрії, які зазвичай не синтезують АТФ, а вільна енергія переносу електронів розсіюється у вигляді тепла, завдяки чому і підтримується температура тіла на належному рівні. Такі мітохондрії виявлені в буром жирі. Енергія перенесення електронів може використовуватися і для інших цілей, зокрема, для підтримки концентрації іонів Са ++ в клітці, що важливо для здійснення багатьох клітинних функцій.

Інтенсивність окисного фосфорилювання регулюється співвідношенням в клітці змісту АТФ, з одного боку, і АДФ і неорганічного фосфату, з іншого. Причому, два останніх речовини активують процес

окисного фосфорилювання. При посиленні розпаду АТФ на АДФ і Н3 РО4 в процесі реакцій, що йдуть зі споживанням енергії, і накопичення останніх в клітинному вмісті, автоматично посилюється окисне фосфорилювання, тобто біосинтез АТФ.

На підставі будови і функцій компонентів дихального ланцюга запропоновано механізм окисного фосфорилювання:

1. Ферменти дихального ланцюга розташовані в строго визначеної послідовності: Кожен наступний білок має більшу спорідненість до електронів, ніж попередній (він більш електроположітелен, тобто володіє більш позитивним окислювально-відновним потенціалом). Це забезпечує однонаправлений рух електронів.

2. Всі атоми водню, отщепленим дегідрогеназ від субстратів в аеробних умовах, досягають внутрішньої мембрани мітохондрій в складі НАДНабо ФАДН 2 .

Будова дихальної ланцюга і механізм окисного фосфорилювання

3. Тут атоми водню (від НАДН і ФАДН 2) передають свої електронив дихальну ферментативну ланцюг, по якій електрони рухаються (50-200 шт / сек) до свого кінцевого акцептору - кисню. В результаті утворюється вода.

4. Вступники в дихальний ланцюг електрони багаті вільної енергією. У міру їх просування по ланцюгу вони втрачають енергію.

Енергетичні співвідношення в дихальної ланцюга мітохондрій і ділянки перенесення іонів Н + через мембрану

Частина енергії електронів використовується I, III, IV комплексами дихальних ферментів для переміщення іонів водню через мембрану в межмембранное простір. Інша частина розсіюється у вигляді тепла. Спрощено сказане представити у вигляді рівності:

5. Перенесення іонів водню через мембрану (викачування) відбувається не випадково, а в строго визначених ділянках мембрани. Ці ділянки називаються ділянки сполучення (Або, не зовсім точно, пункти фосфорилювання). Вони представлені I, III, IV комплексами дихальних ферментів. В результаті роботи цих комплексів формується градієнт іонів водню між внутрішньою і зовнішньою поверхнями внутрішньої мітохондріальної мембрани. такий градієнт володіє потенційною енергією.

Градієнт (Δμ, "дельта мю") отримав назву електрохімічний градієнт або протоннийградієнт. Він має дві складові - електричну (ΔΨ, "дельта пси") і концентрационную (ΔрН):

Δμ \u003d ΔΨ + ΔрН

Назва " ділянки сполучення"Виникло через те, що поява протонного градієнта в результаті окислювальних процесів забезпечує надалі фосфорилування АДФ до АТФ. Саме завдяки цим трьом ферментним комплексам енергія реакцій окислення може передаватися на фосфорилирование, Тобто існує сполучення (зв'язування) двох процесів.

6. Як завершення всіх попередніх подій і необхідний їх результат відбувається напрацювання АТФ: іони H + втрачають свою енергію, проходячи через АТФ-синтази (Н + -транспортірующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Частина цієї енергії витрачається на синтез АТФ. Інша частина розсіюється у вигляді тепла:

Структурна організація ланцюга переносу електронів

Електрони, що мігрують по дихальної ланцюга, рухаються по складних траєкторіях. Особливість їх руху полягає в петлеподібних рухах в межах кожного з ферментативних комплексів дихального ланцюга. У кожен комплекс надходять 4 протона на одну пару електронів.

комплексI (F-цикл).Сумарно можна уявити, що молекула НАДН вносить 2 електрона в мітохондріальну мембрану, ще 2 електрона надходять від FeS-

білків і разом з 4 протонами з матриксу спільно з 2 молекулами ФМН утворюють комплекс ФМН-Н 2, який переміщається до зовнішньої поверхні мембрани.

Поблизу від поверхні мембрани комплекс розпадається на 2 пари електронів, 4 протона і 2 ФМН.

Слід враховувати, що в комплексі I присутній одна молекула ФМН, яка встигає 2 рази переміститися поперек мембрани, щоб перенести 4Н +. Дві пари електронів зв'язуються двома FeS-білками, що мають більш високий електрохімічний потенціал і переносяться до внутрішньої сторони мембрани до ФМН (одна пара електронів) і коензиму Q (друга пара електронів). ФМН повертається назад, а протони не мають центрів зв'язування і тому залишають мембрану. Ділянки викиду протонів з мембрани являють собою 10-14 паралельних а-спіральних ділянок поліпептидний ланцюгів, що піднімаються від ферментативних комплексів перпендикулярно зовнішній стороні мембрани. Протони передаються в межмембранное простір по системі водневих зв'язків, що стабілізують а-спіральні ділянки.

комплексIII (Q-цикл).Через систему FeS-білків 2е "(від комплексу I) переносяться до внутрішньої поверхні мембрани і з 2 протонами з матриксу взаємодіють з коензимом Q (убіхінон), формуючи комплекс QH 2;, який представляє собою відновлений убихинон. Ще одна молекула QH2 формується в результаті взаємодії 2е "(їх переносять в комплекс III цитохроми bj і Ь 2), з 2 протонами з матриксу та коензимом Q. Убихинон, будучи рухомим переносником електронів і протонів, переносить їх до зовнішньої мітохондріальної мембрани, де відбувається розпад цієї молекули. В області зовнішньої сторони мембрани 2 молекули QH2, розпадаються на 2е ", 4 протона і 2 молекули Q * ~ (се-міхінона). Електрони перехоплюють FeS-білки (вони містять 2 Fe 2 S2 центру). Протони залишають мембрану, а 2 молекули Q "~ передають 2 електрона цитохромам Ь] і Ь 2 які, в свою чергу, переносять їх до коензиму Q. 2 Молекули се-міхінона (Q" "), передавши свої неспарені електрони цитохромам Комерсант \\і Ь 2, перетворюються в форму коензиму Q і повертаються до внутрішньої сторони мембрани. Два електрона через FeS-білки мігрують до цитохрому З \\.Цитохром Q, в свою чергу, передає електрони цитохрому С, який переміщається по зовнішній поверхні мембрани і є рухомим переносником електронів між III і IV комплексами.

комплексIV (О-цикл).У IV комплекс електрони вносить цитохром С. Через цитохроми а й а 3 електрони надходять до внутрішньої поверхні мембрани, де спільно з протонами і молекулою кисню перетворюються в пероксид водню (Н 2 О 2). Він мігрує до зовнішньої поверхні мембрани і знову розпадається на кисень, електрони і протони. Протони виштовхуються з мембрани, а електрони з допомогою цитохромів а й а 3 знову доставляються до внутрішньої поверхні мембрани де, вже втративши свою високу енергію, взаємодіють з киснем і протонами з матриксу і утворюють ендогенну воду. Особливість функціонування IV комплексу полягає в перенесенні через мембрану тільки 2-х протонів з матриксу. Це пояснюється тим, що два інші протона з 4-х надходять в IV комплекс витрачаються на освіту води.

Протонний цикл - замкнутий процес переміщення Н + в мітохондріях. Функцією протонного каналу є первинне запасання енергії електронів у вигляді мембранного потенціалу з наступним використанням її для синтезу АТФ, а також для перенесення речовин через мітохондріальну мембрану (канали транспортних систем).

Будова АТФ-синтази і синтез АТФ

АТФ-синтаза (Н + -АТФ-аза) - інтегральний білок внутрішньої мембрани мітохондрій. Він розташований в безпосередній близькості до дихального ланцюга. АТФ-синтаза складається з 2 білкових комплексів, які охоплюють як F 0 і F 1.

Гідрофобний комплекс F 0 занурений в мембрану. Він служить підставою, яке фіксує АТФ-синтази в мембрані. Комплекс F0 складається з декількох субодиниць, що утворюють канал, по якому протони переносяться в матрикс.

Будова і механізм дії АТФ-синтази. А - F 0 і F 1 - комплекси АТФ-синтази, До складу F 0 входять поліпептидні ланцюги, які утворюють канал, пронизливий мембрану наскрізь. По цьому каналу протони повертаються в матрикс з межмембранного простору; білок F 1 виступає в матрикс з внутрішньої сторони мембрани і містить 9 субодиниць, 6 з яких утворюють 3 пари α і β ( "головка"), що прикривають стрижневу частину, яка складається з 3 субодиниць γ, δ і ε. γ і ε рухливі і утворюють стрижень, що обертається усередині нерухомої головки і пов'язаний з комплексом F0. В активних центрах, утворених парами субодиниць α і β, відбувається зв'язування АДФ, неорганічного фосфату (Р i) і АТФ. Б - Каталітичний цикл синтезу АТФ включає 3 фази, кожна з яких проходить по черзі в 3 активних центрах: 1 - зв'язування АДФ і Н 3 РО 4; 2 - освіту фосфоангідрідной зв'язку АТФ; 3 - звільнення кінцевого продукту. При кожному перенесення протонів через канал F 0 в матрикс все 3 активних центру каталізують чергову фазу циклу. Енергія електрохімічного потенціалу витрачається на поворот стержня, в результаті якого циклічно змінюється конформація α- і β-субодиниць і відбувається синтез АТФ.

дихальний контроль

Робота дихальних ферментів регулюється за допомогою ефекту, який отримав назву дихальний контроль.

дихальний контроль - це прямий вплив електрохімічного градієнта на швидкість руху електронів по дихальному ланцюгу (тобто на величину дихання). У свою чергу, величина градієнта безпосередньо залежить від співвідношення АТФ і АДФ, Кількісна сума яких в клітці практично постійна ([АТФ] + [АДФ] \u003d const). Реакції катаболізму спрямовані на підтримку постійно високого рівня АТФ і низького АДФ.

Зростання протонного градієнта виникає при зниженні кількості АДФ і накопиченні АТФ ( стан спокою), Тобто коли АТФ-синтаза позбавлена \u200b\u200bсвого субстрату та іони Н + не проникають в матрикс мітохондрії. При цьому інгібуючий вплив градієнта посилюється і просування електронів по ланцюгу сповільнюється. Ферментні комплекси залишаються у відновленому стані. Наслідком є \u200b\u200bзменшення окислення НАДН і ФАДН 2 на I і II комплексах і уповільнення катаболізму в клітці.

Зниження протонного градієнта виникає при вичерпанні резервів АТФ і надлишку АДФ, тобто при роботі клітини. В цьому випадку активно працює АТФ-синтаза і через канал F про проходять в матрикс іони Н +. При цьому градієнт, природно, знижується, потік електронів зростає, в результаті підвищується викачування іонів Н + в межмембранное простір і знову їх швидке "провалювання" через АТФ-синтази всередину мітохондрій з синтезом АТФ. Ферментні комплекси I і II підсилюють окислювання НАДН і ФАДН 2 (як джерел електронів) і знімається інгібуючий вплив НАДН на цикл лимонної кислоти і піруватдегідрогеназний комплекс. Як підсумок - активуються реакції катаболізму вуглеводів і жирів.

Коефіцієнт Р / О (коефіцієнт окисного фосфорилювання)є мірою ефективності дихання як постачальника енергії для синтезу АТФ. Коефіцієнт Р / О (або Р / 2е) чисельно дорівнює відношенню кількості синтезованого АТФ до кількості атомів спожитого кисню. Чим вище коефіцієнт, тим більше синтезується АТФ в розрахунку на кожну пару перенесених електронів. У разі повної дихального ланцюга Р / О близький до 3, в разі укороченою до 2.

мікросомальне окислення

Окислення може відбуватися не тільки в мітохондріях, а й в мікросомах і пероксисомах.У цих структурах теж є ланцюга транспорту електронів (тобто процес окислення), але не ведуть до синтезу АТФ. Ці ланцюги включають НАДФ, ФМН, ФАД, FeS-білки, аскорбінову кислоту, цитохроми інші: B 5, P 450. Мета цих ланцюгів окиснення: окислення циклічних речовин, щоб зробити їх більш розчинними для виведення через нирки, гидроксилирование - для тих же цілей стероїдних гормонів, знешкодження токсинів, лікарських речовин, чужорідних молекул (ксенобіотиків).

Фосфорилювання АДФ в мітохондріях;

Аеробне окислення поживних речовин з утворенням вуглекислого газу і води.

При менш інтенсивному навантаженні - при помірній м'язової активності - коли до м'язових клітин доставляється достатню кількість кисню, відбувається утворення АТФпреімущественно шляхом окисного фосфорилювання - аеробне окислення вуглеводів і жирів з утворенням вуглекислого газу, води і АТФ. Протягом перших 5-10 хв головним ресурсом для цього служить глікоген. У наступні ~ 30 хв домінуючими стають джерела енергії, що доставляються кров'ю, причому глюкоза і жирні кислоти беруть участь приблизно в однаковій мірі. На більш пізніх етапах скорочення переважає утилізація жирних кислот, а глюкоза витрачається менше. Процес протікає в мітохондріях - енергетичних станціях клітин - тривалий шлях, що включає цикл Кребса (ЦТК - цикл трикарбонових кислот) і електрон-транспортний ланцюг (де власне відбувається окислення), детально описаний у підручниках біохімії

Будь-які поживні речовини, які можуть перетворюватися в ацетил-КоА, метаболізуються в циклі Кребса і в процесі окисного фосфорилювання.

Окислювальне фосфорилювання включає в себе перетворення пірувату в ацетил-КоА і, в кінцевому рахунку, його повне окислення до вуглекислого газу і води. Це перетворення відбувається в циклі Кребса і в ланцюзі перенесення електронів (ЦПЕ). Реакції загального шляху катаболізму відбуваються в матриксі мітохондрій і відновлені коферменти передають водень безпосередньо на компоненти ЦПЕ, розташовані у внутрішній мембрані мітохондрій.

Рис.18. Схема отримання енергії м'язової клітиною.

Шляхи отримання енергії м'язової клітиною взаємопов'язані і можуть перетинатися. Спочатку розглянемо цей процес на прикладі використання самого універсального джерела енергії - глюкози ( рис.18).

У цитоплазмі молекула глюкози перетворюються в піруват в процесі гліколізу. Паралельно з цим синтезується АТФ. Гліколіз не вимагає присутності кисню. Однак утворився піруват може бути і далі використаний клітиною для отримання енергії, в цьому випадку вийде синтезувати набагато більше АТФ, ніж при гліколізі. Цей процес, який носить назву окислювального фосфорилювання, відбувається в мітохондріях, і для нього клітці вже потрібен кисень. Піруват потрапляє в мітохондрії, де вступає в Цикл Кребса. Основним продуктом цього циклу є NADН (нада) (читається «над-аш»). NADН вступає в процес окисного фосфорилювання, який протікає у внутрішній мембрані мітохондрії. В результаті синтезується АТФ, причому в набагато більшій кількості, ніж при гліколізі

Рис.19. Катаболізм основних харчових речовин. 1-3 - травлення; 4-8 - специфічні шляхи катаболізму; 9-10 - заключний (загальний шлях) катаболізму; 11 - ЦПЕ; 12 - окисне фосфорилювання.

Які речовини використовуються в різних метаболічних шляхах?

Для гліколізу можуть використовуватися тільки вуглеводи. Майже всі легко засвоювані вуглеводи можуть перетворюватися в глюкозу або запасатися в формі глікогену. Глікоген і глюкоза метаболізуються в процесі глікогенолізу і гліколізу. Будь-які поживні речовини, які можуть перетворюватися в ацетил-КоА (рис. 19), метаболізуються в циклі Кребса і в процесі окисного фосфорилювання. Зокрема, жири розщеплюються до гліцерину, який потім перетворюється в піруват і жирні кислоти. Жирні кислоти окислюються в мітохондріях в процесі р-окислення до ацетил-КоА. Білки розщеплюються до амінокислот, які після дезамінування (видалення NH3) перетворюються в піруват або в ацетил-КоА і надходять в цикл Кребса. У жодній реакції циклу Кребса і р-окислення не використовується кисень, однак, якщо ЦПЕ не включається, то виникає дефіцит акцепторів електронів (НАД, ФАДН), що призводить до уповільнення, а потім і повного припинення обміну речовин.

Перетворення пірувату в ацетил-КоА відбувається за участю набору ферментів, структурно об'єднаних в піруватдегідрогеназний комплекс (ГДК). Ацетильную залишок - ацетил Ко А далі окислюється в циклі лимонної кислоти до СО 2 і Н 2 О. В цих реакціях окислення беруть участь NAD- і FAD-залежні дегідрогенази, які постачають електрони і протони в ЦПЕ, по якій вони передаються на О2.

Таким чином, кожен оборот циклу лимонної кислоти супроводжується синтезом 11 молекул АТФ шляхом окисного фосфорилювання. Одна молекула АТФ утворюється шляхом субстратного фосфорилювання.

Мал. 20.Еффектівность і економічність основних шляхів енергозабезпечення

Відомо, що при аеробному окисленні з однієї молекули молочної кислоти відбувається ресинтез в вуглевод 4-6 інших молекул молочної кислоти, а окислення вуглеводів в повних кисневих умовах супроводжується значно більшим звільненням енергії для ресинтезу глюкози, ніж при анаеробному процесі. У зв'язку з цим в аеробних умовах глюкоза може утворити в 19 разів більше АТФ в порівнянні з анаеробними. Отже, аеробний шлях енергозабезпечення є більш ефективним і економічним ( рис.20).

Порівняємо три шляхи ресинтезу АТФ.

порівняння:	три шляхи ресинтезу	АТФ.
	креатинфосфатного	ГЛІКОЛІЗ	окисного фосфорилювання
локалізація	Скорочувальний ділянку м'язи	цитоплазма	мітохондрія
субстрат	КФ	Глюкоза / глікоген	Піруват (або ацетил-коензим А [КоА])
продукт	Креатин + Рi |	Піруват або лактат	Вуглекислий газ і вода
кількість стадій			11 + перенесення електронів
Вихід АТФ, молекул
Використання кисню	немає	немає	Так
швидкість	Швидкий	Швидкий	повільний
Тип	анаеробний	анаеробний	аеробний

Рис.21. Послідовність включення різних шляхів синтезу АТФ на початку легкому фізичному навантаженні

Як показано на рис.21 в перші секунди майже вся енергія забезпечується аденозинтрифосфатом (АТФ); наступним джерелом служить креатинфосфат (КФ). Анаеробний процес-гліколіз досягає максимуму приблизно через 45 с, тоді як за рахунок окислювальних реакцій м'яз не може отримати основну частину енергії раніше, ніж через 2 хв.

навіть при легкоїроботі ( рис.21) Отримання енергії відбувається по анаеробного шляху протягом короткого перехідного періоду після початку роботи; в подальшому метаболізм здійснюється повністю за рахунок аеробнихреакцій ( мал. 21) З використанням в якості субстратів глюкози, а також жирних кислот і гліцерину. На відміну від цього під час важкоїроботи отримання енергії частково забезпечується анаеробними процесами. Крім цих «вузьких місць» в процесах енергозабезпечення та тих, що тимчасово виникають відразу ж після початку роботи (рис. 21), при екстремальних навантаженнях утворюються «вузькі місця», пов'язані з активністю ферментів на різних етапах метаболізму.

Мал. 22. Споживання кисню під час легкої динамічної роботи постійної інтенсивності

Шляхи ресинтезу АТФ і їх внесок в енергозабезпечення м'язової діяльності будуть залежати від інтенсивності, тривалості навантажень і здатності систем забезпечити енергетичні процеси в м'язі киснем.

Як показано на рис. 22, здатність нашого організму адекватно задовольняти потреби м'язів в кисні далека від досконалості. Коли ви починаєте виконувати вправу, система транспорту кисню (дихання і кровообіг) не відразу поставляє необхідну кількість його активним м'язам. Після початку роботи потрібен якийсь час для збільшення інтенсивності аеробних енергетичних процесів в м'язі. Лише через кілька хвилин досягається стабільний рівень споживання кисню, при якому повністю функціонують аеробні процеси, однак потреба організму в кисні різко підвищується саме в момент початку виконання вправи. У цей період дефіцит енергії компенсується за рахунок легкодоступних анаеробних енергетичних резервів (АТФ і креатин-фосфату). Кількість макроергічних фосфатів невелика в порівнянні з запасами глікогену, однак вони незамінні як протягом зазначеного періоду, так і для забезпечення енергією при короткочасних перевантаженнях під час виконання роботи.

Поглинання кисню і, отже, утворення АТФ збільшуються до того моменту, поки не буде досягнуто стійкий стан, при якому утворення АТФ адекватно його споживання при роботі м'язів. Постійний рівень споживання кисню (утворення АТФ) підтримується, поки не зміниться інтенсивність роботи. Між початком роботи і збільшенням споживання кисню до якогось постійного рівня відбувається затримка, звана кисневим боргом або дефіцитом. дефіцит кисню- період часу між початком м'язової роботи і зростанням споживання кисню до достатнього рівня.

На рис. 22 показано споживання кисню до, під час і після легкої рівномірної работи.Показани дефіцит кисню і надлишок споживання кисню після фізичного навантаження.

Що таке дефіцит кисню?

Період часу між початком фізичного навантаження і збільшенням поглинання кисню до достатнього рівня; тобто тривалість вирівнювання різниці між поглинанням кисню в перші хвилини роботи і потребою в кисні для синтезу достатньої кількості АТФ. Потреба в АТФ зростає миттєво, однак для досягнення необхідного рівня поглинання кисню потрібен якийсь час; в результаті чого створюється дефіцит кисню. Існують різні точки зору на механізми забезпечення АТФ в цей період. Можливо, АТФ синтезується в процесі анаеробного метаболізму або надходить із запасів клітини, можливо, просто вимір кількості АТФ запізнюється в порівнянні з його вмістом. При тренуваннях дефіцит кисню зменшується, що свідчить про можливість більш швидкого підключення систем, що забезпечують швидку доставку кисню при фізичному навантаженні.

кисневий дефіцит(дефіцит кисню) –

різницю між кисневим запитом і кисневим приходом.

період часу між початком фізичного навантаження і збільшенням поглинання кисню до достатнього рівня.

тривалість вирівнювання різниці між поглинанням кисню в перші хвилини роботи і потребою в кисні для синтезу достатньої кількості АТФ.

Окисного фосфорилювання - це синтез АТФ з аденозиндифосфату та неорганічного фосфату, який наразі триває в живих клітинах, завдяки енергії, що виділяється при окисленні органічних речовин в в процесі клітинного дихання.

Субстратне фосфорилювання - це синтез АТФ, не пов'язаний з електрон-транспортною системою, при якому залишок фосфорної кислоти (Н2РО3) переноситься на АДФ від високоенергетичного (фосфорилированного) з'єднання. Для ряду анаеробів (здійснюють бродіння) є єдиним способом отримання енергії.

В процесі біологічного окислення близько 50% енергії резервується клітинами тканин в макроергічних сполуках, переважно АТФ. Синтез АТФ з АДФ і фосфорної кислоти, який відбувається з використанням енергії, що виділяється при окисленні речовин в живих клітинах, і пов'язаний з переносом електронів по дихальному ланцюгу, називається окислювальним фосфорилюванням.

Окисного фосфорилювання може здійснюватися на рівні субстрату (субстратне фосфорилювання), але головним чином на різних етапах дихального ланцюга. Субстратне фосфорилювання, як зазначалося вище, відбувається шляхом безпосередньої передачі молекули активного фосфату з субстратів, що містять макроергічних зв'язок, на АДФ з утворенням АТФ (див. Обмін вуглеводів, ліпідів). Наприклад, проміжний продукт розпаду глюкози і тріацілгліцери-нів 2-фосфоєнолпіровіноградная кислота віддає свій активний фосфат на АДФ з утворенням АТФ за реакцією. Однак субстратне фосфорилювання дає незначну кількість молекул АТФ. Основна їх кількість синтезується в процесі фосфорилювання, яке пов'язане з клітинним диханням. Встановлено, що на кожному етапі перенесення електронів від одного переносника на інший вони переходять з одного енергетичного рівня на інший (нижче), в результаті чого відбувається вивільнення певної кількості енергії. Однак існує три етапи, коли енергії, що вивільняється, досить для синтезу АТФ

На основі даних термодинаміки допускала наявність трьох ділянок (пунктів) дихального ланцюга, які супроводжувалися синтезом АТФ. Досліди із застосуванням специфічних інгібіторів певних ферментів дихального ланцюга підтвердили ці дані. Так, ро-теноніт (інсектицид - токсична речовина рослинного походження, застосовується індіанцями як отрута) блокує перенесення електронів на ділянці від НАДН2 до КОО. При цьому всі компоненти дихального ланцюга переходять в окислений стан, тобто зменшується швидкість транспорту електронів. Амітал (барбітурати натрію) перешкоджає відновленню КОО. Антибіотик антіміцін А

блокує перенесення електронів від цитохрому b цитохром Cj, а ціаніди, азид натрію, сірководень зв'язуються з цітохромокси-ДАЗО і перешкоджають переходу електронів з ЦХО на молекулярний кисень.

З наведеної вище схеми (рис. 57) слід, що перша молекула АТФ синтезується під час перенесення електронів і протонів на ділянці «нікотінамідних кофермент - флавопротеид - KoQ», друга - при перенесенні електронів від цитохрому b цитохром с1 і третя - на ділянці перенесення електронів від цитохромоксидази на молекулярний кисень. Звідси при перенесенні двох атомів водню в дихальному ланцюзі утворюється три молекули АТФ.

Отже, в дихальної ланцюга є три ділянки, в яких перенесення електронів супроводжується значним зниженням вільної енергії. Це ті ділянки, де звільнена енергія запасається, тобто використовується для синтезу АТФ.

Основними постулатами теорії Мітчелла є наступне:

1. 1) внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для іонів і малих молекул (за винятком молекул води);

2. 2) дихальна ланцюг працює як «насос», що викачує протони з матриксу в межмембранного простір - рух 2 електронів від субстрату на кисень призводить до переносу 8-10 Н + (протони транспортуються через I, III і IV комплекси) через мембрану;

3. 3) робота дихального ланцюга створює електрохімічний градієнт протонів (?? Н +), так як вони вільно через внутрішню мітохондріальну мембрану повернутися в матрикс не можуть і будуть накопичуватися в міжмемб-ранній просторі; ?? Н + - це проміжна форма зберігання енергії окислення субстратів;

4. 4) енергію протонного градієнта використовує Н + -АТФ- синтаза (V комплекс) для синтезу АТФ, коли через одну з її субодиниць протони повертаються в матрикс;

5. 5) існують сполуки - роз'єднувачі окисного фосфорілю ня, які порушують електрохімічний градієнт протонів і знижують ефективність роботи Н + АТФ-синтази.

Відповідно до цієї теорії, трансмембранні потенціали іонів можуть служити джерелом енергії для синтезу АТФ, транспорту речовин та інших енергозалежних процесів в клітині. Зокрема, АТФ синтезується за рахунок кінетичної енергії протона, що проходить через АТФ-синтетазу (специфічний тунельний білок, пронизливий мембрану).

Протонна АТФ-синтаза - це олігомерних білок, вбудований у внутрішню мембрану мітохондрії і за будовою нагадує гриб. Вона містить дві субодиниці:
Fo - протонний канал (в - від «олігоміцін»); тільки через цей канал протони можуть повернутися в матрикс;
F1 - фермент, який використовує енергію, яка вивільняється при транспорті протонів через Fo для синтезу АТФ з АДФ і Фн.
П.Мітчелл в своїй теорії теоретично віддав процес створення пари на окислення і фосфорилювання саме Н + АТФ-азу. Експериментальне піддтердження цей факт знайшов в працях Джона Уокера і Пола Бойера, які за «З'ясування ензімного механізму, що лежить в основі синтезу аденозин-фосфату» в 1997 році отримали Нобелівську премію з хімії.

На сьогодні відомо, що при транспорті протонів через Fo-субодиницю відбуваються конфірмаційні зміни в активному центрі F1-субодиниці, які призводять до її активації і відповідно синтезу АТФ і її вивільнення. Молекули АТФ, які синтезуються транспортуються в цитозоль за допомогою транслокази.

Для синтезу молекули АТФ, її вивільнення і транспорту в цитозоль потрібна енергія 4 протонів (40% цієї енергії йде на синтез АТФ, 60% виділяється у вигляді тепла).

Кількість молекул неорганічного фосфату, яке перейшло в пов'язану форму (тобто в АТФ) в перерахунку на один атом кисню називається коефіцієнт окисного фосфорилювання і позначається Р / O (коефіцієнт фосфорилювання).
Коефіцієнт Р / O чисельно дорівнює кількості молекул АТФ, синтезувалися в результаті транспорту 2? на один атом кисню. Тому для субстратів, окислюються під дією НАД-залежних дегідрогеназ Р / O \u003d 3 (наприклад, для пірувату,? -Кетоглутарата, ізоцитрату, малата). Для субстратів, які окислюються за допомогою ФАД-залежних дегідрогеназ, цей коефіцієнт дорівнює 2 (наприклад, для сукцината, ацил-КоА, гліцерил-3-фосфату).

Відповідно до цієї теорії, перенесення електронів по дихальної ланцюга супроводжується скачуванням протонів з матриксу через внутрішню мембрану в водне середовище межмембранного простору.

Припускають, асиметрично розташовані в мембрані компоненти дихального ланцюга утворюють три петлі, які переносять через мембрану протони, тобто служать протонної помпи. З кожною парою електронів, що передаються від субстрату до кисню, ці три петлі транспортують з матриксу мітохондрій шість протонів (за новими даними, не менше 9). Таким чином, енергія, яка виділяється при перенесенні електронів, витрачається на перекачування іонів Н + проти градієнта концентрації. Внаслідок скачування іонів Н + з матриксу внутрішню сторону внутрішньої мембрани мітохондрій стає електронегативний, а зовнішній - електропозитивні, тобто виникає градієнт концентрації іонів водню: менше в матриксі і більше - у зовнішній водній фазі. Сумарний електрохімічний протонний потенціал позначається ?? Н +. Він складається з 2-х компонентів: ?? Н \u003d? РН і? V.

Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для іонів Н +, а також іонів ОН, К +, Na +, СI-, але мембранний білок Fo АТФази утворює канал, по якому іони Н + повертаються в матрикс за градієнтом концентрації, вільна енергія, яка при цьому виділяється , використовується F1-компонентом АТФази для синтезу АТФ з АДФ і Фн.