5.2 Обмен энергии

Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступление энергии в форме, пригодной для многопланового использования. Для получения энергии практически все живые существа на планете приспособились подвергать гидролизу одну из пирофосфатных связей АТФ. В связи с этим одна из главных задач биоэнергетики живых организмов – это восполнение использованных АТФ из АДФ и АМФ.

Основной источник энергии в клетке – окисление субстратов кислородом воздуха. Этот процесс осуществляется тремя путями: присоединением кислорода к атому углерода, отщеплением водорода или потерей электрона. В клетках окисление протекает в форме последовательного переноса водорода и электронов от субстрата к кислороду. Кислород играет в этом случае роль восстанавливающегося соединения (окислителя). Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии. Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Это достигается за счет дробления процесса окисления на ряд промежуточных стадий, что позволяет запасать ее небольшими порциями в виде макроэргических соединений (АТФ). Восстановление атома кислорода при взаимодействии с парой протонов и электронов приводит к образованию молекулы воды.

Макроэргической, или богатой энергией, называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты, и это один из основных путей запасания энергии в организме.

5.3 Биологические механизмы окисления в митохондриях

Тканевое дыхание – это процесс потребления клетками тканей организма кислорода, который участвует в биологическом окислении. Такой вид окисления называют аэробным окислением. Если конечным акцептором в цепи переноса водорода выступает не кислород, а другие вещества (например, пировиноградная кислота), то такой тип окисления называют анаэробным.

Таким образом биологическое окисление – это дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора.

Дыхательная цепь (ферменты тканевого дыхания) – это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Окислитель – это соединение, способное принимать электроны. Такая способность количественно характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом по отношению к стандартному водородному электроду, рН которого равен 7,0. Чем меньше потенциал соединения, тем сильнее его восстанавливающие свойства и наоборот. Таким образом, любое соединение может отдавать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. В дыхательной цепи каждое последующее звено имеет более высокий потенциал, чем предыдущее.

Дыхательная цепь состоит из:

– НАД-зависимой дегидрогеназы;

– ФАД- зависимой дегидрогеназы;

– Убихинона (КоQ);

– Цитохромов b, c, a + a₃.

НАД-зависимые дегидрогеназы в качестве кофермента содержат НАД и НАДФ. Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода.

ФАД и ФМН-зависимые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента фосфорный эфир витамина В₂ (ФАД).

Убихинон (КоQ) отнимает водород у флавопротеидов и превращается при этом в гидрохинон.

Цитохромы – белки хромопротеиды, способные присоединять электроны, благодаря наличию в своем составе в качестве простетических групп железопорфиринов. Они принимают электрон от вещества, являющегося немного более сильным восстановителем, и передают его более сильному окислителю. Атом железа связан с атомом азота имидазольного кольца аминоксилоты гистидина с одной стороны от плоскости порфиринового цикла, а с другой стороны с атомом серы метионина. Поэтому потенциальная способность атома железа в цитохромах к связыванию кислорода подавлена.

В цитохроме с порфириновая плоскость ковалентно связана с белком через два остатка цистеина, а в цитохромах b и а, она ковалентно не связана с белком.

В цитохроме а + а₃ (цитохромоксидазе) вместо протопорфирина содержатся порфирин А, который отличается рядом структурных особенностей. Пятое координационное положение железа занято аминогруппой, принадлежащей остатку аминосахара, входящего в состав самого белка. В отличие от гема гемоглобина, атом железа в цитохромах может обратимо переходить из двух в трехвалентное состояние,  это обеспечивает транспорт электронов.

Механизм работы электронтранспортной цепи

Наружная мембрана митохондрии (рисунок 5.1) проницаема для большинства мелких молекул и ионов, внутренняя почти для всех ионов (кроме протонов Н) и для большинства незаряженных молекул.

1 – наружная мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 – ферменты,

встроенные в мембрану; 4 – кольцевые молекулы ДНК; 5 – кристы;

6 – рибосомы (частично по Хардон Э., Вернер Р.)

Рисунок 5.1 – Строение митохондрий

Все вышеперечисленные компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану. Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи обеспечивается разностью потенциалов между ее компонентами. При этом каждое увеличение потенциала на 0,16 В освобождает энергию, достаточную для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н₃РО₄. При потреблении одной молекулы О₂ образуется 3 АТФ.

Процессы окисления и образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, т. е. фосфорилирования протекают в митохондриях. Внутренняя мембрана образует множество складок – крист. Пространство, ограниченное внутренней мембраной – матриксом. Пространство между внутренней и наружной мембранами называется межмембранным.

Такая молекула содержит в себе три макроэргических связи.

В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи высвобождается энергия, которая тратится на присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ с образованием одной молекулы АТФ и одной молекулы воды. В процессе переноса одной пары электронов по дыхательной цепи высвобождается и запасается в виде трех молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Это составляет около 40 % высвободившейся при электронном транспорте энергии.

Такой способ запасания энергии в клетке называется окислительным фосфорилированием или сопряженным фосфорилированием.

Молекулярные механизмы этого процесса наиболее полно объясняет хемоосмотическая теория Митчелла, выдвинутая в 1961 году.

М еханизм окислительного фосфорилирования (рисунок 5.2):

Рисунок 5.2 – Упрощенная схема субстратов и ферментов окислительного фосфорилирования в митохондриях

(частично по Пустоваловой Л.М.)

1) НАД-зависимая дегидрогеназа, расположенная на матриксной поверхности внутренней мембраны митохондрий, отдает пару электронов водорода на ФМН-зависимую дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на ФМН и в результате образуется ФМН·Н₂. В это время пара протонов, принадлежащих НАД выталкивается в межмембранное пространство;

2) ФАД-зависимая дегидрогеназа отдает пару электронов на КоQ, а пару протонов выталкивает в межмембранное пространство. Получив электроны, КоQ принимает из матрикса пару протонов и превращается в КоQ Н₂;

3) КоQ Н₂ выталкивает пару протонов в межмембранное пространство, а пара электронов передается на цитохромы и далее на кислород с образованием молекулы воды.

В итоге при переносе пары электронов по цепи из матрикса в межмембранное пространство  перекачивается 6 протонов (3 пары), что ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны;

4)  разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал обратно в матрикс;

5)  такое обратное движение протонов ведет к активации АТФ-синтазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. При переносе одной пары электронов (т. е. трех пар протонов) синтезируется 3 молекулы АТФ (3).

Разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования происходит, если протоны начинают проникать через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент рН и исчезает движущая сила фосфорилирования. Химические вещества-разобщители называются протонофорами, они способны переносить протоны через мембрану. К таковым относятся 2,4-динитро-фенол, гормоны щитовидной железы и др. (рисунок 5.3).

Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму переносится ферментами транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс переносится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кислоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфата тормозит синтез АТФ.

Скорость окислительного фосфорилирования зависит, в первую очередь, от содержания АТФ: чем быстрее она расходуется, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии, и, следовательно, активнее идет процесс окислительного фосфорилирования. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют дыхательным контролем.

П оказаны места поступления электронов от разных субстратов углеводного и липидного обменов. Обозначены участки образования АТФ, а также воздействия разобщителей окислительного фосфорилирования.

Сокращения: ФП – флавопротенд (ФАД-зависимая дегидрогеназа) (по Ленинджер А.)

Рисунок 5.3 – Схема электронтранспортной цепи