Пути синтеза атф в организме. Синтез атф регулируется Синтез атф что

Как известно, живые системы функционируют благодаря использованию различных видов энергии трансформированием их в энергию химических связей. В клетке химическая энергия запасается в виде так называемых «высокоэнергетических» метаболитов. Наиболее важным таким метаболитом, макроэргом, обеспечивающим энергией большинство энергозависимых процессов в клетке, является нуклеотидный коэфермент аденозинтрифосфат АТФ (рис.1). В молекуле АТФ цепочка из трех фосфатных остатков (α, β, γ) связана 5 ΄ -ОН-группой аденозин. Рибоза связана с α-фосфатом устойчивой фосфорноэфирной связью. Три фососфатных остатка связаны между собой менее устойчивыми фосфоангидридными связями. При физиологических значениях рН АТФ несет четыре отрицательных заряда. Изменение свободной энергии ΔG 0 гидролиза фосфоангидридных связей составляет 30-35 кДж/моль. В клетке, в физиологических условиях измение свободной энергии гидролиза АТФ еще выше и может доходить до 50 кДж/моль. Гидролиз АТФ в клетках сопровождается выделением свободной энергии, которая расходуется на выполнение эндергонических (энергозатратных) процессов, таких как биосинтез, движение, транспорт и др. Соответственно, синтез АТФ является высоко эндергонической реакцией, поэтому он должен сопрягаться высоко экзергоническим процессом. Молекула АТФ является самым важным и универсальным энергетическим посредником, которая обеспечивает генерирование химической энергии и ее использование для выполнения биологических функций у всех организмов. Остальные нуклеозидтрифосфатные коэферменты, химически похожие на АТФ (ГТФ, ЦТФ, УТФ) выполняют в метаболических процессах другие функции.

Рис.1. Структура молекулы АТФ (кольман,125)

В ходе эволюции сформировались два важных способа синтеза АТФ, которые реализуются в живых клетках. Наиболее эффективный способ синтеза АТФ – это использование энергии градиента электрохимического потенциала биологических мембран для образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Энергия для создания такого градиента возникает в результате окислительно-восстановительного процесса в результате окисления химических субстратов (окислительное фосфорилирование) или под действием световой энергии (фотофосфорилирование).

Второй, эволюционно более ранний способ синтеза АТФ осуществляется в анаэробных условиях. В этом случае перенос фосфатной группы на АТФ осуществляется через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп. В качестве примера можно привести реакцию синтеза АТФ из креатинфосфата в мышечных клетках.

По способу преобразования энергии организмы (клетки) подразделяются на большие 2 группы : автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы для синтеза АТФ используют энергию электромагнитных (световых) волн или. Гетеротрофы – для синтеза АТФ используют энергию химических связей органических субстратов.

Синтез АТФ у автотрофных организмов мы подробно будем говорить на лекции, посвященному фотосинтезу. Сейчас приступим к рассмотрению процесса синтеза АТФ у аэробных организмов - окислительного фосфорилирования. Впервые синтез АТФ, сопряженный с внутриклеточным дыханием был обнаружен в начале 30-ых годов 20 века российским биохимиком В. А. Энгельгардом. Другой россиянин, В.А. Белицер, в 1939 году предположил, что окислительное фосфорилирование АДФ сопряжено с переносом электронов в дыхательной цепи. Американские ученые А.Ленинджер и Е. Кеннеди в 1949 году показали, что процесс окислительного фосфорилирования протекает в митохондриях.

Из курса цитологии вам известно, что митохондрии – это органеллы клетки палочкообразной или округлой формы, сравнительно больших размеров (до 2-3 мкм). Митохондрия окружена двойной элементарной мембраной, толщина каждой мембраны около 7-8 нм. Митохондрия имеет два внутренних отсека (компартмента): пространство между внутренней и внешней мембраной (межмембранное пространство ) и матрикс , пространство, ограниченное внутренней мембраной. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки и выступы (кристы ), за счет чего достигается увеличение поверхности внутренней мембраны (рис.2). В митохондриях за счет окислительной деградации питательных веществ синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ.

Рис. 2. Схема общей организации митохондрии 1 - внешняя мембрана; 2 - внутренняя мембрана; 3 - впячивания внутренней мембраны - кристы; 4 - места впячиваний, вид с поверхности внутренней мембраны

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление до СО 2 и Н 2 О, сопряженнное с синтезом АТФ. Соответственно, в митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: 1) превращение топливных субстратов в ацетил-КоА 2) восстановление НАДН и ФАДН 2 в цикле Кребса 4) синтез АТФ в дыхательной цепи (рис. 3). Реакции двух первых процессов локализованы в матриксе, а дыхательная цепь располагается на внутренней мембране митохондрий. На этой мембране митохондрии находятся молекулярные переносчики электронов и ферменты, составляющие дыхательную (электронно-транспортную ) цепь. Компоненты дыхательной цепи осуществляют перенос электронов от НАДН или восстановленной формы убихинона QН 2 на молекулярный кислород. Вследствие большой разницы окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) доноров (НАДН 2 и QН 2) и акцептора (О 2), реакция переноса электронов является высоко экзергонической. Большая часть освобождающейся энергии расходуется на создание градиента концентрации протонов, которую фермент АТФ-синтаза использует для образования молекулы АТФ.

Основные компоненты ЭТС митохондрий следующие: комплекс 1 (НАДН: убихинон –оксиредуктаза или НАДН-дегидрогеназа); комлекс 11 (сукцинат: убихинон-оксиредуктаза или сукцинатдегидрогеназа); комплекс 111 (убихинол: цитохром с – оксиредуктаза); комплекс 1У (цитохром с: кислородоксиредуктаза); цитохром с; АТФ- синтетаза; АДФ – АТФ – транслоказа; убихинон..

Перечисленные компоненты ЭТС на мембране митохондрий располагаются в следующих стехиометрических соотношениях: комплекс 1: комплекс 2: комплекс 3: комплекс 4 как 1: 2: 3: 6. На каждый комплекс 1У приходится по 1 молекуле АТФ-азы и по 3-5 молекул АДФ-АТФ – транслоказы.

Перенос электронов по дыхательной цепи. Электроны, окисляющие кислород, проходят, по меньшей мере, десять промежуточных окислительно-восстановительных систем, большинство из которых представлены простетическими группами в комплексах 1, 111, 1У. Молекулярные переносчики (НАДН, флавопротеины, содержащие ФАД и ФМН в качестве простетических групп, убихинон) акцептируют и отдают по 2 электрона. Негемовые железосерные белки и цитохромы, содержащие порфириновые простетические группы, переносят по одному электрону (рис. 3).

Рис.3 . Поток электронов через три главных ферментативных комплекса при переносе электронов от НАД·Н к О 2

1 - НАД·Н-дегидрогеназный комплекс; 2 - с 1 -комплекс; 3 - цитохромоксидазный комплекс; 4 - убихинон; 5 - цитохром с; 6 - матрикс митохондрии; 7 - внутренняя митохондриальная мембрана; 8 - межмембранное пространство

Комплекс 1 катализирует перенос двух электронов от НАДН к убихинону и он также способен транспортировать через мембрану протоны. Комплекс 1 содержит ФМН и несколько белков с железносерными центрами с типом кластера 2 Fe – 2S и 4 Fe – 4S (рис.4). Согласно современным представлениям, эти центры представляют собой многоядерные комплексы железа, ковалентно связанные с атомами серы и цистеиновыми остатками белков.

Рис.4. Схема расположения железосерных кластеров в белковых молекулах. (Костюк, 321)

Комплекс 11 катализирует окисление сукцината убихиноном и не может переносить протоны. Комплекс содержит ФАД, цитохром b 557 и два железосерных центра Fe – S с типом кластера 2 Fe – 2S и один железносерный центр с типом кластера 4 Fe – 4S. Убихинон (коэнзим Q) в митохондриях животных клеток представлен в форме Q 10 , т.е. его молекула содержит цепь из 10 пятиуглеродных изопреновых остатков, что определяет высокую гидрофобность этой молекулы. Убихинон хорошо растворяется в липидной фазе мембраны и способен к трансмембранному переходу путем диффузии. Присоединяя два электрона и два протона, убихинон восстанавливается и превращается в убихинол QН 2 .

Комплекс 111 катализирует перенос электронов от убихинола к цитохрому с, способен также транспортировать протоны. В состав этого комплекса входят цитохромы b 562 , b 566 , цитохром c 1 , железносерный центр с типом кластеров 2 Fe – 2S.

Комплекс 1У переносит электроны от цитохрома с к кислороду. В состав этого комплекса входят фермент цитохром с-оксидаза с двумя гемами в молекулах цитохромов а и а 3 и два атома меди. Окисленная форма (Fe 3+) цитохромов а и а 3 принимает электроны от восстановленного цитохрома с и переходит в восстановленную форму (Fe 2+).

Значительная часть свободной энергии, которая выделяется при переносе электронов по ЭТС, запасается в форме АТФ на участках сопряжения биологического окисления с фосфорилированием. Участки сопряжения локализованы: 1) между НАДН-дегидрогеназой и цитохромом b, 2) между цитохромом b и цитохромом с, 3) между цитохромом с и кислородсвязывающим участком комплекса 1У (см. рис. 3). На этих участках ЭТС количество выделяющейся энергии достаточно для образования фосфоангидридной связи.

По-существу, транспорт электронов по дыхательной цепи митохондрии представляет собой последовательнось окислительно-восстановительных реакций. Перенос электронов в ЭТС осуществляется по градиенту значений окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) пар: донор электронов-акцептор электронов. Как известно, значение ОВП выражается в вольтах и характеризует способность донора отдавать электрон(ы) акцептору в сопряженной окислительно-восстановительной паре. ОВП окислительно-восстановительной пары может иметь и положительное, и отрицательное значение. Чем выше абсолютное значение ОВП системы, тем выше окислительно-восстановительные свойства системы. Величина и знак ОВП для окислительно- восстановительных пар позволяет предсказать направление движения электронов: электроны транспортируются от отрицательно заряженного донора к положительно заряженному (по отношению к донору) акцептору. Определение ОВП окислительно-восстановительных пар проводят путем измерения электродвижучей силы (ЭДС) с использованием стандартного (водородного) электрода. Водородный электрод представляет собой платиновую пластину, который погружен в 1 М раствор Н + находящийся в равновесии с газообразным Н 2 при давлении 1 атм. Потенциал такого стандартного электрода условно принимают равным нулю. Стандартный окислительно восстановительный потенциал Е 0 характеризует способность исследуемой редокс-системы окислять или восстановливать водородный электрод, при однаковой концентрации окислителя и восстановителя. Величину ОВП можно найти по следующей формуле

Е 0 = Е 0 + RTln Ox/ Red/nF

где Е 0 – стандартный редокс-потенциал; R – универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура; Ox/ Red –отношение концентрации окисленной и восстановленной форм вещества; F- число Фарадея; n –число переносимых электронов.

В электронно-транспортной цепи митохондрий восстановителем (донором электронов) является атом водорода (в составе НАДН и ФАДН 2), окислителем служит атом кислорода, который в процессе дыхания восстановливается до Н 2 О. Как отмечалось выше, между этими молекулами находятся не менее 10 промежуточных молекулярных переносчиков электронов, за счет работы которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в энергию фосфоангидридной связи в молекуле АТФ. Энергия образования фосфоангидридной связи в АТФ при стандартных условиях составляет ΔG 0 = - 35 кДж/моль, что соответствует изменению редокс-потенциала Δ Е 0 = - ΔG 0 / nF = 0,18 В. Величина окислительно–восстановительного потенциала ЭТС митохондрий составляет 1,14 В, что эквивалентно 220 Кдж. В таблице 1 приведены Значения ОВП окислительно-восстановительных пар (основных молекулярных переносчиков), локализованных в дыхательной цепи.

Таблица 1.

Значения окислительно-восстановительных потенциалов молекулярных переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий

Синтез АТФ на мембранах митохондрий . Фосфорилирование АДФ осуществляется встроенным в внутренную мембрану митохондрий ферментом - Н + -зависимой АТФ-синтазой. По современным представлениям, мембранная АТФ-синтаза является миниатюрным молекулярным мотором. Принцип его работы подобен работе электродвигателя, т.е. вращение ротора происходит вследствие прохождения электри­ческого тока через его обмотку. В отличие от искусственных электромоторов, в АТФ-синтазе вращение ротора осуществляется не потоком электронов, а потоком протонов. До недавнего времени считалось, что самыми миниатюрными «живыми» моторами являются флагеллярные моторы, которые генерируют движение бактерий. Однако, оказалось, что самым маленьким из всех известных в природе вращающихся моторов явля­ется протонная АТФ-синтаза. Такие молекулы обнаружены в митохондриях, хлоропластах, на плазматических мембранах бактерий. Исследования последних лет показали, что АТФ-азы в энергопреобразующих мембранах клеток растений, животных и бактерий по струтуре и функциям не имеют существенных различий.

На рис. 4 показана структура ферментного комплекса, полученная на основе данных рентгеноструктурного анализа АТФ-азы из митохондрий сердца бы­ка. Как видно, молекула этой АТФ-азы состоит из двух функциональных частей: встроенного в мембрану протонного канала F 0 и каталитической части F 1 , выступающей в матрикс митохондрии. Этот ансамбль имеет вид слегка приплюс­нутого шара высотой 8 нм и шириной 10 нм. В центре шара находится субъединица g, которая образована двумя протяженными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. Нижняя часть субъе­диницы g выступает из шара на 3 нм в сторону мем­бранного комплекса F 0 . Субъединица d расположе­на на внешней стороне F 1 . Внутри ансамбля (ab) 3 находится минорная субъединица e , которая связа­на с субъединицей g. Обе эти субъединицы (g и e) подвижны - они входят в состав своеобразного ро­тора, который вращается внутри неподвижного комплекса (ab) 3 .

Мембранный комплекс F 0 служит основанием, которое удерживает АТФ-синтазу в мембране.Этот комплекс включает в себя протонный канал, по которому ионы водорода переносятся через АТРсинта­зу Пространственная структура F 0 расшифрована не столь детально, как строение водорастворимого ком­плекса f 1. Ориентированный в водную фазу (в матрикс митохондрии) комплекс F 1 состоит из девяти субъединиц пяти типов полипептидов (Зa, Зb, g, d, e). Полипептидные цепи субъединиц a и b уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые все вместе образуют гексамер -ансамбль, состоящий из шести субъединиц.

Рис. 4. Схематичное изображение АТФ-синтазы в мембранах митохондрий

А. Схема расположения основных белковых субьединиц, образующих комплексы F 0 и F 1

Б. АТФ-синтаза - внутриклеточный электродвигатель: Ротор – g, e - субьединицы (обозначены красным цветом); статор - Зa, Зb, d, c, a, b - субьединицы (обозначены синим цветом).

Представления об АТФ-синтазе, как молекуляр­ной машине, работа которой связана с ее вращени­ем, хорошо согласуются со структурными особенно­стями комплекса. В структуре АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц: одна из них образует статор мотора, который неподвижен относительно мембраны, а другая соответствует подвижному ро­тору, вращающемуся внутри статора. Статор включает в себя шарообразный гексамер, состоящий из трех субъединиц a и трех субъединиц b, находящуюся на его поверхности субъединицу d, а также субъединицы a и b мембран­ного комплекса F 0 (рис 4,Б). В этой макромолекулярной кон­струкции субъединицы b выполняют роль своеоб­разного кронштейна, связывающего неподвижные субъединицы комплексов F 0 и F 1 . К находящейся в мембране субъединице а примыкает гидрофобное кольцо, образованное субъединицами с мембран­ного комплекса F 0 .

Ротор состоит из субъединиц g и e комплекса F 1 . Субъединица g, расположенная внутри комплекса (ab) 3 , заметно выступает из него и соединяется с погруженным в мембрану кольцом из субъединиц с . Имеются все основания считать, что субъединица g, входящая в состав ротора, действительно вращается при работе фермента. Для того, чтобы провер­нуть ротор внутри статора, и тем самым заставить АТФ- синтазу сделать молекулу АТР, необходим внешний источник энергии. Как уже было сказано выше, когда АТФ-синтаза работает в режиме синтеза АТФ, движущей силой для ее работы явля­ется энергия протонов, переносимых через сопрягающую мембрану за счет протонного потен­циала. При работе АТФ-синтазы в режиме гидролиза АТФ источником энергии для вращения ротора служит энергия, запасенная в молекуле АТФ.

Наглядно показано, что гидролиз АТР комплексом F 1 , действительно сопровождается вращением субъ­единицы g относительно гексамера (ab) 3 . Об этом свидетельствуют работы американцев Капальди, Кросса и их сотрудников. Им удалось при­шить субъединицу g к субъединице b и тем самым блокировать возможное вращение субъединицы g внутри комплекса F 1 . В этом случае, фер­ментативная активность комплекса F 1 , (его способ­ность гидролизовать АТФ) при этом была полно­стью подавлена.

Самым впечатляющим доказательством того, что субъединица γ, действительно крутится в ходе работы фермента, стала замечательная работа, группой японских исследо­вателей Киношите, Йошиде и их соавторами. Они увидели враще­ние субъединицы γ, с помощью флуоресцентного микроскопа. Как можно разглядеть вращение рото­ра, диаметр которого составляет всего лишь 1 нм? Чтобы наблюдать за вращением этой субъединицы, к ее основанию, выступающему из комплекса F 1 , японские ученые прикрепили специальный макромолекулярный маркер - фрагмент нити актина длиной около одного микрона, который, в свою очередь, был помечен флуоресцентным красителем. Остальную часть отделенной от мембраны молекулы f 1 обездвижили, пришив к субъединицам b специальные хвостики, с помощью которых F 1 прикрепили к не­подвижной подложке. Наблюдая с по­мощью микроскопа за изменением положения флуоресцирующей нити актина, жестко связанной субъединицей γ, удалось непосредственно увидеть ее вращение. Оказалось, что в ходе работы фермен­та, гидролизующего АТФ, актиновый хвост вращается против часовой стрелки. Эти эксперименты продемон­стрировали, в буквальном смысле этого слова, вращение самого маленького из всех известных к настоящему времени природных моторов. Вместе с этим в науке окончательно утвердилось новое понятие - враща­тельный катализ (англ. - rotary catalysis).

Замечательным качеством вращающегося мото­ра АТФ-синтазы является его исключительно высо­кий коэффициент полезного действия. По­казано, что для поворота актинового хвоста на 120° затрачивается около 35 кДж энергии, т.е. приблизительно равная энергии образования АТФ из АДФ. Это означает, что КПД работы мотора близок к 100 %.

В табл. 2 приведены сравнительные характерис­тики различных молекулярных моторов, встречаю­щихся в живой клетке. Видно, что АТФ-синтаза явля­ется своего рода рекордсменом среди молекулярных моторов своей "весовой категории". По эффектив­ности работы и развиваемой ею силе она сущест­венно превосходит все известные в природе моле­кулярные моторы. Так, например, максимальная сила, создаваемая при работе одного миозинового мостика актомиозинового комплекса мышечных волокон, составляет F макс = 3-5 пН. Вращательный момент, создаваемый молекулой f 1 за счет гидролиза АТФ, достигает величины М = 40 пН нм. Если учесть, что радиус вращающей­ся субъединицы составляет r = 1 нм, то сила F макс разви­ваемая молекулой f 1 , будет равна 40 пН. Оказывается, что молекула F 1 , приблизительно в 10 раз сильнее актомиозинового комплекса - моле­кулярной машины, специализирующейся в клетках и различных органах на "профессиональном" вы­полнении механической работы. Таким образом, за сотни миллионов лет до того, как появился человек, который изобрел колесо, преимущества вращатель­ного характера движения были успешно реализова­ны природой на молекулярном уровне.

Расщепление органических веществ до более простых с выделением энергии и запасанием ее в АТФ - это энергетический обмен. Он включает три этапа - подготовительный, бескислородный и кислородный.

На подготовительном этапе энергия хоть и выделяется, но не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап протекает в цитоплазме и приводит к расщеплению каждой молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. При этом выделяется мало энергии, поэтому синтезируется только две молекулы АТФ.

Кислородный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды, выделяется много энергии и синтезируется около 36 молекул АТФ.

Биосинтез белка и синтез жиров относятся к пластическому обмену, когда из более простых соединений синтезируются более сложные. Такие процессы идут не с выделением энергии, а с ее потреблением. АТФ здесь играет роль поставщика энергии, распадаясь до АДФ и фосфорной кислоты.

В биологии аббревиатурой АТФ обозначают органическое вещество (мономер) аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфорную кислоту). По химическому строению оно представляет собой нуклеозидтрифосфат.

В состав АТФ входят рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты . Фосфаты последовательно связаны между собой. При этом два последних так называемой макроэргической связью, разрыв которой обеспечивает клетку большим количеством энергии.

Таким образом, АТФ выполняет в клетке энергетическую функцию .

Большая часть молекул АТФ образуется в митохондриях в реакциях клеточного дыхания. В клетках постоянно идет синтез и распад большого количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.

Отщепление фосфатных групп в основном происходит при участии фермента АТФ-азы и является реакцией гидролиза (присоединения воды):

АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E,

где E - это выделяющаяся энергия, идущая на различные клеточные процессы (синтез других органических веществ, их транспорт, движение органоидов и клетки, терморегуляцию и др.).

По разным источникам количество выделяющейся энергии составляет от 30 до 60 кДж/моль.

АДФ - это аденозиндифосфат, который содержит уже два остатка фосфорной кислоты.

Чаще всего к нему потом снова присоединяется фосфат с образованием АТФ:

АДФ + H3PO4 = АТФ + H2O — E.

Эта реакция идет с поглощением энергии, накопление которой происходит в результате рада ферментативных реакций и процессов переноса ионов (в основном в матриксе и на внутренней мембране митохондрий). В конечном итоге энергия аккумулируется в присоединяемой к АДФ фосфатной группе.

Однако от АДФ может отщепиться еще один фосфат, связанный макроэргической связью, при это образуется АМФ (аденозинмонофосфата).

АМФ входит в состав РНК. Отсюда еще одна функция аденозинтрифосфорной кислоты – она служит источником сырья для синтеза ряда органических соединений.

Таким образом, особенности строения АТФ, функциональное использование только его в качестве источника энергии в метаболических процессах, дает возможность клеткам иметь единую и универсальную систему по приему химической энергии.

Связанная статья:Этапы энергетического обмена

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы. АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

2.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению.

В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций. Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953).

Цикл имеет еще два названия:

II.

Данный процесс является реакцией дегидратации, катализируется ферментом аконитазой.

Данный процесс является реакцией гидратации, катализируется ферментом аконитазой.

IV.

Реакции 4 и 5 представляют собой окислительное декарбоксилирование, катализируются изоцитратдегидрогеназой, промежуточным продуктом реакций является оксалосукцинат.

Эта реакция также является реакцией окислительного декарбоксилирования, т.е. это вторая окислительно-восстановительная реакция:

α-Оксоглутарат + НАД + КоА Сукцинил-КоА + СО2 + НАДН

VII.

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

X. Четвертая окислительно-восстановительная реакция:

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления). Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания.

В дыхательной цепи происходит образование АТФ. Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем. Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Цитохромы а и а3 образуют комплекс цитохромоксидазу, который является последним звеном дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза содержит помимо железа медь с переменной валентностью. При транспортировке ē от цитохрома а3 к молекулярному О2 происходит процесс

Предыдущая9101112131415161718192021222324Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать.

Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст?

Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Пути синтеза АТФ в организме

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы.

АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Субстратное фосфорилирование – непосредственная передача фосфорильной группы с макроэргической связью АДФ для синтеза АТФ.

Примеры субстратного фосфорилирования:

1. Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

Взаимодействие промежуточного продукта цикла Кребса – макроэргического сукцинил-Ко-А – с АДФ с образованием одной молекулы АТФ.

Рассмотрим три основных этапа освобождения энергии и синтеза АТФ в организме.

Первый этап (подготовительный) включает переваривание и всасывание.

На этом этапе освобождается 0,1% энергии пищевых соединений.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению. В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций.

Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953). Цикл имеет еще два названия:

— цикл трикарбоновых кислот, так как он включает реакции превращения трикарбоновых кислот (кислот, содержащих три карбоксильные группы);

— цикл лимонной кислоты, так как первой реакцией цикла является образование лимонной кислоты.

Цикл Кребса включает 10 реакций, четыре из которых окислительно-восстановительные.

В ходе реакций освобождается 70% энергии.

Чрезвычайно велика биологическая роль этого цикла, поскольку это общий конечный пункт окислительного распада всех основных пищевых продуктов.

Это главный механизм окисления в клетке, образно его называют метаболическим «котлом». В процессе окисления топливных молекул (углеводов, аминокислот, жирных кислот происходит обеспечение организма энергией в виде АТФ. Топливные молекулы вступают в цикл Кребса после превращения в ацетил-Ко-А.

Кроме того, цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза. Этот цикл происходит в матриксе митохондрий.

Рассмотрим реакции цикла Кребса:

Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента оксалоацетата и двухуглеродного компонента ацетил-Ко-А.

Реакция катализируется цитратсинтазой и представляет собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом. Промежуточным продуктом является цитрил-Ко-А, который гидролизуется на цитрат и КоА:

Это первая окислительно-восстановительная реакция.

Реакция катализируется α-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех ферментов:

В сукциниле имеется связь, богатая энергией.

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ):

Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА

Фосфорильная группа ГТФ легко переносится на АДФ с образованием АТФ:

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

Это единственная реакция цикла, являющаяся реакцией субстратного фосфорилирования.

Это третья окислительно-восстановительная реакция:

В цикле Кребса образуются углекислый газ, протоны, электроны.

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления).

Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания. В дыхательной цепи происходит образование АТФ.

Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем.

Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Итоговая реакция, которая происходит на цитохромоксидазе, имеет вид

Энергетический баланс цикла Кребса и дыхательной цепи – 24 молекулы АТФ.

Схема цикла Кребса

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) .

АТФ относят к мононуклеотидам. Она состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1,
АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2,
АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,

где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ - аценозиндифосфорная кислота; АМФ - аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования - присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ).

Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).

Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).

Молекула АТФ служит универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Анатомия и физиология центральной нервной системы

4. Обмен жиров, их биологическая роль, теплоемкость, участие в обмене веществ.

Энергетическая стоимость жиров. Жировые отложения

Жиры — органические соединения, входящие в состав животных и растительных тканей и состоящие в основном из триглицеридов (сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот). Помимо триглицеридов, в состав жиров входят вещества…

Влияние органических удобрений на микробиоту почвы

2.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

Химическая деятельность микроорганизмов проявляется в непрерывном круговороте азота, фосфора, серы, углерода и других веществ. При самом активном, широком участии микроорганизмов в природе, главным образом в почве и гидросфере…

Гормон окситоцин

1.

Химическая структура и синтез окситоцина

Окситоцин не является собственным гормоном нейрогипофиза, а лишь накапливается в нем, перемещаясь по аксонам гипоталамо- гипофизарного пучка из ядер переднего гипоталамуса — супраоптического и паравентрикулярного…

3.

Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Естествознание на молекулярном уровне

3. Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Зависимость уровня тиреотропного и тиреоидных гормонов от заболеваний щитовидной железы

2.5 Влияние веществ на синтез тиреоидных гормонов

В настоящее время считается, что влияния на синтез различных веществ имеет смешанный характер.

Этот тезис доказывается в статье Р.В.

Кубасова, Е.Д…

Микроорганизмы в круговороте веществ в природе

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения…

Микроорганизмы, выделенные из различных природных жиров

1.1 Структура жировых веществ

Жиры являются веществами нелетучими и при нагревании до 250-300°С разлагаются с образованием летучих веществ, выделяющихся в виде паров, газов и дыма.

Жиры плохие проводники тепла…

Глава 4. Печень, ее роль в обмене веществ

Обмен белков. Обмен жиров. Обмен углеводов. Печень, ее роль в обмене веществ

4.3 Роль печени в обмене веществ

Рассматривая обмен белков, жиров и углеводов мы не раз затрагивали печень.

Печень является важнейшим органом, осуществляющим синтез белков. В ней образуется весь альбумин крови, основная масса факторов свертывания…

Основные принципы питания

7. Роль минеральных веществ в питании человека

В зависимости от количества минеральных веществ в организме человека и в пищевых продуктах их подразделяют на макро- и микроэлементы.

К первым относятся кальций, калий, магний, натрий, фосфор, хлор, сера…

Роль микроорганизмов в круговороте химических элементов в природе

4. Роль микроорганизмов в круговороте серы в природе, их значение превращения веществ и практическое использование

Круговорот серы осуществляется в результате жизнедеятельности бактерий, окисляющих или восстанавливающих ее.

Процессы восстановления серы происходят несколькими путями. Под влиянием гнилостных бактерий — клостридий…

4.2 Каротиноиды. Их структура, функции и физиологическая роль

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета — присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови…

Фотосинтез как основа энергетики биосферы

4.3 Фикобилины.

Их структура, функции и физиологическая роль

Синезеленые водоросли (цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины…

Энергетический метаболизм микроорганизмов

1.

Общие понятия об обмене веществ и энергии

Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее химические связи…

Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельности выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических превращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождающихся постоянным ее обновлением, и называется обменом веществ.

Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется ассимиляцией - это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции, т.е. процессы разложения и окисления органических веществ, в результате которых клетка получает энергию, - это энергетический обмен. Конструктивный и энергетический обмен составляют единое целое.

В процессе конструктивного обмена клетка из довольно ограниченного числа низкомолекулярных соединений синтезирует биополимеры своего тела. Биосинтетические реакции протекают при участии разнообразных ферментов и требуют затрат энергии.

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8-10 кДж - эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия - 25-40 кДж - это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III). Соединение аденина и рибозы называется аденозином. Пирофосфатные группы имеют макроэргические связи, обозначенные значком ~. Разложение одной молекулы АТФ с участием воды сопровождается отщеплением одной молекулы фосфорной кислоты и выделением свободной энергии, которая равна 33-42 кДж/моль. Все реакции с участием АТФ регулируются ферментными системами.

Рис.1. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ

Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.

Синтез АТФ происходит таким образом, что два иона Н + отщепляются от АДФ и фосфата (Р) с правой стороны мембраны, компенсируя потерю двух Н + при восстановлении вещества В. Один из кислородных атомов фосфата переносится на другую сторону мембраны и, присоединив два иона Н + из левого отсека, образует Н 2 О. Остаток фосфорила присоединяется к АДФ, образуя АТФ.

Рис.2. Схема окисления и синтеза АТФ в митохондриальных мембранах

В клетках организмов изучено много биосинтетических реакций, использующих энергию, заключенную в АТФ, в ходе которых происходят процессы карбоксилирования и декарбоксилирования, синтеза амидных связей, образования макроэргических соединений, способных переносить энергию от АТФ к анаболическим реакциям синтеза веществ. Эти реакции играют важную роль в процессах обмена веществ растительных организмов.

С участием АТФ и других макроэргических нуклеозидполифосфатов (ГТФ, ЦТФ, УГФ) может происходить активирование молекул моносахаридов, аминокислот, азотистых оснований, ацилглицеринов путем синтеза активных промежуточных соединений, являющихся производными нуклеотидов. Так, например, в процессе синтеза крахмала с участием фермента АДФ-глюкозо-пирофосфорилазы образуется активированная форма глюкозы - аденозиндифосфатглюкоза, которая легко становится донором глюкозных остатков при формировании структуры молекул этого полисахарида.

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.

У большинства живых организмов - аэробов, живущих в кислородной среде, - в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный, в процессе которых органические вещества распадаются до неор­ганических соединений. У анаэробов, обитающих в среде, лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.

Первый этап - подготовительный - заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые (белков - на аминокислоты, жиров - на глицерин и жирные кислоты, полисахаридов - на моносахариды, нуклеиновых кислот - на нуклеотиды). Распад органических субстратов пищи осуществляется на разных уровнях желудочно-кишечного тракта многоклеточных организмов. Внутриклеточное расщепление органических веществ происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рас­сеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергнуться дальнейшему расщеплению или использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап - неполное окисление (бескислородный) - осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических субстратов. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное расщепление глюкозы называют гликолизом.

Гликолиз - многоступенчатый ферментативный процесс прев­ращения шестиуглеродной глюкозы в две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (пирувата, ПВК) С3Н4О3. В ходе реакций гликолиза выделяется большое количество энергии - 200 кДж/моль. Часть этой энергии (60%) рассеивается в виде теплоты, остальное (40%) используется на синтез АТФ.

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы ПВК, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые запасаются клеткой в форме НАД Н, т.е. в составе специфического переносчика - никотинамидадениндинуклеотида. Дальнейшая судьба продуктов гликолиза - пирувата и водорода в форме НАД Н - может складываться по-разному. У дрожжей или в клетках растений при недостатке кислорода происходит спиртовое брожение - ПВК восстанавливается до этилового спирта:

В клетках животных, испытывающих временный недостаток кислорода, например в мышечных клетках человека при чрезмер­ной физической нагрузке, а также у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, при котором пируват восстанавливается до молочной кислоты. При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.

Третий этап - полное окисление (дыхание) - протекает при обязательном участии кислорода. Аэробное дыхание представляет собой цепь реакций, контролируемых ферментами внутренней мембраны и матрикса митохондрии. Попав в мито­хондрию, ПВК взаимодействует с ферментами матрикса и образует: диоксид углерода, который выводится из клетки; атомы водорода, которые в составе переносчиков направляются к внутренней мембране; ацетилкофермент А (ацетил-КоА), который вовлекается в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются две молекулы СО2, молекула АТФ и четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики - НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Суммарную реакцию гликолиза и цикла Кребса можно представить в следующем виде:

Итак, в результате бескислородного этапа диссимиляции и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до неорганического диоксида углерода (СО2), а высвободившаяся при этом энергия частично расходуется на синтез АТФ, но в основном сберегается в нагруженных электронами переносчиках НАД Н2 и ФАД Н2. Белки-переносчики транспортируют атомы водорода к внутренней мембране митохондрий, где передают их по цепи встроенных в мембрану белков. Транспорт частиц по цепи переноса осуществ­ляется таким образом, что протоны остаются на внешней стороне мембраны и накапливаются в межмембранном пространстве, превращая его в Н+-резервуар, а электроны передаются на внутреннюю поверхность внутренней митохондриальной мембра­ны, где соединяются в конечном итоге с кислородом.

В результате деятельности ферментов цепи переноса электро­нов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно, а снаружи - положительно (за счет Н), так что между ее поверхностями создается разность потенциалов. Известно, что во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ-синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня (200 мВ), положительно заряженные частицы Н+ силой электрического поля начинают про­талкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду.

Нормальное протекание метаболических реакций на молекулярном уровне обусловлено гармоничным сочетанием процессов катаболизма и анаболизма. При нарушении катаболических процессов прежде всего возникают энергетические трудности, нарушаются регенерация АТФ, а также поступление необходимых для биосинтетических процессов исходных субстратов анаболизма. В свою очередь, первичное или связанное с изменениями процессов катаболизма повреждение анаболических процессов ведет к нарушению воспроизведения функционально важных соединений - ферментов, гормонов и др.

Нарушение различных звеньев метаболических цепей неравнозначно по своим последствиям. Наиболее существенные, глубокие патологические изменения катаболизма происходят при повреждении системы биологического окисления при блокаде ферментов тканевого дыхания, гипоксии и др. или повреждении механизмов сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования (например, разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования при тиреотоксикозе). В этих случаях клетки лишаются основного источника энергии, почти все окислительные реакции катаболизма блокируются или теряют способность аккумулировать освобождающуюся энергию в молекулах АТФ. При ингибировании реакций цикла трикарбоновых кислот выработка энергии в процессе катаболизма сокращается примерно на две трети.

Для нас сейчас важно, зато молекула аденозинтрифосфорной кислоты содержит так называемую макроэргическую связь. Реакция синтеза представлена на схеме.

АДФ+Ф ==> АТФ +H 2 O

Из аденозиндифосфата и фосфата получается АТФ, при этом образуется так называемая макроэргическая связь, и на ее образование затрачивается 30,6 кДж/моль (7,3 ккал/моль). АТФ обеспечивает энергией большинство происходящих в клетке процессов, так как при гидролизе макроэргической связи запасенная в ней энергия освобождается.

Как же синтезируется эта молекула, то есть, как образуется макроэргическая связь между фосфатами? Это было одно время загадкой. Существовало предположение о том, что есть какое-то вещество Х, химический посредник, осуществляет связь между процессами, дающими энергию, то есть окислением питательных веществ до СО2 и Н2О, и каким -то образом энергия окисления (в своем роде медленное "горение" внутри организма) переходит в энергию макроэргической связи в молекуле АТФ. Это предположение о наличии химического посредника, которого никто найти не мог, называлось гипотезой химического сопряжения (рис. 6).

Но в 1961 г. английский ученый Питер Митчелл предложил другое объяснение - хемиосмотическую гипотезу (подробнее мы о ней будем говорить позже), которая заключается в том, что вода, которая образуется в процессе окисления, образуется не в виде молекулы воды, а виде протона H+ и иона гидроксила OH - . Энергия, получаемая при окислении, идет на то, чтобы продукты реакции - протон и гидроксил - разделить в пространстве. Протон выбрасывается из митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство (сам по себе протон не может проникнуть через мембрану митохондрии, эта мембрана непроницаема для заряженных частиц), и гидроксогруппы, которая остается внутри митохондрии.

В результате возникает разница концентраций ионов водорода (∆рН - то есть кислотности среды) и разница потенциала: положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, а отрицательный внутри. Напомним, что у митохондрий 2 мембраны, причем внешняя в энергетических процессах такой важной роли, как внутренняя, не играет. То есть энергия, полученная при окислении, запасена в виде электрохимической энергии. Электрический потенциал на мембране митохондрий достигает 200 милливольт, а толщина мембраны не превышает 10 нм.

Питер Митчелл первый высказал предположение о том, что химические реакции в клетке пространственно упорядочены, и продукты реакции распределяются асимметрично: протон в одну сторону, гидроксил в другую. За счет этого появляется электрохимический потенциал на мембране (обозначается Δμн). Он состоит из химической (∆рН - разница в концентрации протонов) и электрической (Δφ - разница в величине заряда) компоненты Δμн=∆рН + Δφ. Электрохимический потенциал на мембране митохондрий - универсальная форма запасания энергии клеткой.

Протоны могут перекачиваться через мембрану и при фотосинтезе в хлоропластах или в клетках фотосинтезирующих бактерий (Рис. 8).

На рисунке представлена довольно простая система бактериального фотосинтеза, сопряженного с синтезом АТФ на примере галобактерий. Галобактерии живут в Мертвом море. Море настолько соленое, что соль выпадает в осадок, но в таких экстремальных условиях галобактерии прекрасно себя чувствуют. Галобактерии используют фотосинтез для получения энергии. Белок бактериородопсин под действием света выкачивает протоны изнутри бактериальной клетки наружу, и на мембране снаружи избыток протонов, и, соответственно, образуется положительный заряд. То есть в данном случае электрохимический потенциал на мембране бактерии возникает не за счет окисления веществ в процессе дыхания, а за счет работы, связанной со световой энергией.

Если протон "падает" сквозь мембрану внутрь митохондрии, при этом его потенциальная энергия уменьшается, так как он "падает" в электрическом поле от положительного заряда к отрицательному, и вдобавок по градиенту концентрации. Эта энергия используется для синтеза АТФ. И далее пойдет речь о том, как это происходит.

Синтезом АТФ занимается молекулярная машина, которая называется АТФ-синтаза. Она состоит из двух частей. Первая погружена в мембрану называется F 0 (см. рисунок). Она представляет собой протонный канал, то есть это дыра в мембране, по которой протон может попасть внутрь митохондрии, но попадает он внутрь с потерей энергии, которую улавливает вторая часть молекулярной машины, которая называется F 1 . Эта часть АТФ-синтазы торчит внутрь митохондрии и использует энергию "падающих" через F 0 протонов для того, чтобы аденозиндифосфат соединился с фосфатом посредством макроэргической связи и образовал молекулу АТФ.

Рассмотрим, как АТФ-синтаза синтезирует АТФ. Оказывается, что прежде всего совершается работа механическая, так как для осуществления синтеза АТФ в АТФ-синтазе крутится белковая структура. Как устроена АТФ-синтаза?

Она состоит из двух частей - статора (на рисунке 9 помечено синим цветом), и ротора (обозначен красным). Статор состоит из трех альфа субъединиц и трех бета субъединиц - они занимаются химической частью работы: синтезом АТФ из АДФ и фосфата. В собранном состоянии все вместе эти субъединицы по форме напоминают слега приплюснутый шар 8 нм в высоту и 10 нм в диаметре.

К ним примыкает дельта субъединица, и все вместе эта система образует F1 субъединицу молекулярной машины. Здесь же есть опора, которая «якорит» всю систему в мембране. Как известно, мембрана сделана из фосфолипидов (на рисунке показаны желтым). Гидрофильные "головки" фосфолипидов обращены в водную поверхность, а гидрофобные "хвосты" погружены внутрь мембраны, и именно они препятствуют перемещению заряженных частиц через мембрану. Вращающаяся часть машины, ротор, состоит из гамма и эпсилон субъединиц. Эта конструкция погружена в структуру, сделанную из одинаковых белков, они обозначаются буквой с. Статор держится в мембране, а ротор крутится. И энергия протона используется на то, чтобы прокрутить ротор этой машины.

Молекулярная машина работает в обе стороны (так же как и катализаторы, которые проводят реакцию как в прямую, так и в обратную стороны). Если течет протонный ток с наружной мембраны внутрь, то синтезируется АТФ; если же протонного потенциала нет, но подать с внутренней стороны АТФ, то машина начнет «выкачивать» протоны, создавая протонный потенциал. При этом ротор также вращается.

Для того, чтобы доказать, что в АТФ синтазе вращается часть машины, F1 фрагмент перевернули, «пришили» к неподвижной подложке, а к гамма-субъединице навесили искусственным образом нить актина (длинный белок, который можно было увидеть в микроскоп, так как он был мечен флуоресцентной меткой). Затем подали к этой системе энергию в виде АТФ, и оказалось, что при наличии АТФ гамма субъединица начала крутиться. Все это сняли на пленку. Было видно, как крутится флуоресцентная метка на актиновом хвостике, и было показано, что действительно происходит вращение во время работы этой молекулярной машины (рис. 10).

Теперь разберем, как же крутится этот ротор; как работает электромотор в мембране клеток, как у бактерий, так и у митохондрий высших организмов. Если вы вспомните временную ось возникновения жизни, то увидите, что возникнуть этот мотор должен был более трех миллиардов лет назад.

Как же используется протонный ток, чтобы крутить мотор? Оказалось, что в статоре имеется протонный канал, т.е. такой белок, который образует проход для протона. Но этот канал не сплошной. Если бы был канал, который пронизывал всю мембрану насквозь, то из-за разницы потенциалов все протоны потекли бы внутрь митохондрии, и произошла бы деэнергетизация мембраны, т.е. она бы разрядилась. Но канал устроен очень хитро. Он состоит из двух половинок (полу-каналов), которые, к тому же, смещены одна относительно другой (рис. 1).

Структура этой машины такова, что протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, но попасть внутрь митохондрии он не может. Сваливается протон на подставленную ему аминокислоту ротора и эту аминокислоту протонирует, то есть на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. Затем, когда протонированная аминокислота на вращающемся роторе доедет до следующей половинки канала, ведущей уже внутрь митохондрии (а внутри протонов мало и, кроме того, там протон поджидают отрицательно заряженные ионы), то протон наконец "падает" внутрь и аминокислота освобождается от положительного заряда. Заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование - депротонирование приводит к повороту машины. Таким образом, протон в два приема проваливается внутрь митохондрии, и за счет этого мотор проворачивается.

За объяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза АТФ, два исследователя получили Нобелевскую премию: Пол Д. Бойер, США и Джон Э. Уолкер, Великобритания (Нобелевская премия 1997 года).

Было рассказано, как мотор крутится, но не было объяснено, почему синтезируется АТФ. Сейчас подробно мы на этом останавливаться не будем, но вкратце, объяснить это можно следующим образом. Представим АТФ в таком виде: АТФ=АДФ~Ф. Собственно, почему при разрыве этой связи выделяется большое количество энергии? При разрыве образуется отрицательно заряженный фосфат, который гидратируется (покрывается «шубой» из молекул воды). Как вы помните, вода - это диполь (кислород имеет частично отрицательный заряд, а два водорода - положительный). И за счет гидратирования эта энергия и получается. Но если синтез АТФ идет в той среде, где воды нет, т.е. в гидрофобной среде, то макроэргической эта реакция не является. Показано, что когда происходит образование ковалентной связи между фосфатными группами молекул АДФ и Ф, ферменту практически не требуется энергии. Реакции синтеза и гидролиза ATP в каталитическом центре фермента активно идут при отсутствии внешнего источника энергии. Условия, в которых находятся молекулы АДФ и Ф в каталитическом центре, существенно отличаются от условий протекания реакции в водной среде, благодаря чему образование молекулы АТФ в активном центре фермента может происходить энергетически "бесплатно". Энергия "падающих" протонов тратится потом на то, чтобы «выпихнуть» вон АТФ, отцепить его от каталитической субъединицы.

Таким образом, за счет электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий внутри клетки или митохондрий совершается механическая работа, сопряженная с химическим синтезом.

На рисунке виден срез митохондрии (рис. 12). Внутри содержится матрикс и выросты (складки) - кристы, на которых и расположена АТФ-синтаза. Зачем нужны складки? Чтобы увеличить площадь поверхности. Количество складок внутри митохондрий зависит от того, насколько интенсивно ей приходится работать, сколько энергии нужно клетке. Митохондрии в клетках печени имеют гораздо меньше крист, чем, например, в клетках сердца.

В хлоропластах происходит точно такой же процесс синтеза АТФ, также работает АТФ-синтаза, как и в митохондриях, но источником протонного потенциала является уловленная энергия света. Там тоже есть складки, они называются тилакоидами. Только в хлоропластах все как бы вывернуто наизнанку. То есть протоны за счет энергии света накапливаются снаружи этих образований.

АТФ-синтаза (Н + -АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F 0 и F 1 (рис. 6-15).

Рис. 6-15. Строение и механизм действия АТФ-синтазы. А - F 0 и F 1 - комплексы АТФ-синтазы, В состав F 0 входят полипептидные цепи, которые образуют канал, пронизывающий мембрану насквозь. По этому каналу протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства; белок F 1 выступает в матрикс с внутренней стороны мембраны и содержит 9 субъединиц, 6 из которых образуют 3 пары α и β ("головка"), прикрывающие стержневую часть, которая состоит из 3 субъединиц γ, δ и ε. γ и ε подвижны и образуют стержень, вращающийся внутри неподвижной головки и связанный с комплексом F0. В активных центрах, образованных парами субъединиц α и β, происходит связывание АДФ, неорганического фосфата (Р i) и АТФ. Б - Каталитический цикл синтеза АТФ включает 3 фазы, каждая из которых проходит поочерёдно в 3 активных центрах: 1 - связывание АДФ и Н 3 РО 4 ; 2 - образование фосфоангидридной связи АТФ; 3 - освобождение конечного продукта. При каждом переносе протонов через канал F 0 в матрикс все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла. Энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация α- и β-субъединиц и происходит синтез АТФ.

3.Коэффициент окислительного
фосфорилирования

Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; электроны от FAD-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. Поэтому образуются только 2 молекулы АТФ. Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величина меньше.

Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания. Термогенная функция энергетического обмена в бурой жировой ткани.

Дыхательный контроль

Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой, т.е. частота оборотов цикла АТФ и АДФ, может меняться в десятки раз.