Дыхательная цепь биохимия простое объяснение. Цепь переноса электронов в митохондриях
Поступают в дыхательную цепь, где проходят через ряд этапов, опускаясь постепенно на все более низкие энергетические уровни, и акцептируются соединением, служащим конечным акцептором электронов. Перенос электронов приводит к значительному изменению свободной энергии в системе. В наиболее совершенном виде и единообразии дыхательная цепь предстает у эукариот , где она локализована во внутренней мембране митохондрий . У эубактерий дыхательные цепи поражают разнообразием своей конкретной организации при сохранении принципиального сходства в строении и функционировании.
Дыхательные электронтранспортные цепи состоят из большого числа локализованных в мембране переносчиков, с помощью которых электроны передаются или вместе с протонами, т.е. виде атомов водорода, или без них. Компонентами цепи, локализованными в мембране, являются переносчики белковой ( флавопротеины , FeS-белки , цитохромы) или небелковой ( хиноны) природы. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы - электронов.
При изучении дыхательных цепей особенно интересны два связанных с мембраной флавопротеина : сукцинатдегидрогеназа, катализирующая окисление сукцината в ЦТК , и НАД(Ф)*Н2-дегидрогеназа, катализирующая восстановление своей флавиновой простетической группы, сопряженное с окислением НАД(Ф)*Н2.
Участие в дыхательном электронном транспорте принимают белки, содержащие железосероцентры ( рис. 58). Они входят в состав некоторых флавопротеинов, например сукцинат и НАД(Ф)*Н2-дегидрогеназ, или же служат в качестве единственных простетических групп белков . Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров . В митохондриальной электронтранспортной цепи функционирует, вероятно, около дюжины таких белков. В зависимости от строения FeS-центры могут осуществлять одновременный перенос 1 или 2 электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.
Хиноны - жирорастворимые соединения, имеющие длинный терпеноидный "хвост", связанный с хиноидным ядром, способным к обратимому окислению - восстановлению путем присоединения 2 атомов водорода ( рис. 93 , В). Наиболее распространен убихинон , функционирующий в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами . В отличие от остальных электронных переносчиков хиноны не связаны со специфическими белками. Небольшой фонд убихинона растворен в липидной фазе мембран.
Цитохромы , принимающие участие на заключительном этапе цепи переноса электронов, представляют собой группу белков, содержащих железопорфириновые простетические группы ( гемы). С помощью цитохромов осуществляется перенос электронов, в процессе которого меняется валентность железа:
Fe++ переходит обратимо в Fe+++ + e
В митохондриях обнаружено пять цитохромов (b, с, с1, а, а3), различающихся между собой спектрами поглощения и окислительно- восстановительными потенциалами. Различия по этим параметрам обусловлены белковыми компонентами цитохромов, природой боковых цепей их порфиринов и способом присоединения гема к белкам. Конечные цитохромы (а+а3) передают электроны на молекулярный кислород, представляя собой собственно цитохромоксидазу, в реакционном центре которой содержатся помимо двух гемов два атома меди. Образование воды имеет место при переносе на молекулу кислорода 4 электронов. Некоторые цитохромоксидазы осуществляют перенос на О2 только 2 электронов, следствием чего является возникновение перекиси водорода . Перекись водорода далее разрушается каталазой или пероксидазой.
Таким образом, дыхательная цепь переноса электронов в митохондриях состоит из большого числа промежуточных переносчиков, осуществляющих электронный транспорт с органических субстратов на О2. Последовательность их расположения, представленная на рис. 94 , подтверждается различного рода данными: значениями окислительно- восстановительных потенциалов переносчиков, ингибиторным анализом.
Обнаружены ингибиторы, специфически действующие на определенные участки дыхательной цепи. Амитал и ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)*Н2- дегидрогеназу. Антимицин A (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому с1. Цианид , окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов а+а3 на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. Если блокировать перенос электронов в электронтранспортной цепи определенными ингибиторами, то переносчики, находящиеся на участке от субстрата до места действия ингибитора, будут в восстановленной, а переносчики за местом действия ингибитора - в окисленной форме.
Какие формы организации дыхательной цепи обнаружены у эубактерий, т.е. на определенных подступах к ее окончательному формированию? Группы первично анаэробных хемогетеротрофов не имеют развитой системы связанного с мембранами электронного транспорта. Полностью сформированной системой дыхательного электронного транспорта обладают фотосинтезирующие эубактерии.
В короткой дыхательной цепи окисляется субстрат, для которых первичным акцептором электронов является флапротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Вещества короткой цепи: янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат).
Первая реакция окисления:
В последующем ФАДН 2 при участии (FeS*) + КоQ, окисляется:
Восстановленный КоQ как и в длиной дыхательной цепи системой цитохромов:
Эти дыхательные цепи могут быть разделены на структурно-функциональные форагменты, которые называются окислительные комплексы. В длинной цепи выделяют 3 комплекса, а в короткой 2.
1. Располагается между НАДН 2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS комплекс.
2. КоQН 2 -ДГ (цитохром С-редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeS, белки, цС 1
3. Цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цаа 3
4. Сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS, сукцинатДГ
Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определенными веществами – ингибиторами.
Первый комплекс – амитал, барбитураты, ротенол
Второй комплекс – малонат
Третий комплекс – антимицин А
Четвертый комплекс – Н 2 S, цианиды, СО
Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированность протекания реакций образования и реакций использования энергии.
Реакции идущие с высвобождением энергии называется экзоргиническими реакциями с поглощением эндорганическими. Основным экзорганическим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Начальные компоненты НАД окисленный, НАД восстановленный:
Поэтому в ЦПЭ происходит перемещение электронов с большой энергией, в процессе транспорта электронов энергия высвобождается. Та энергия которая может быть использована на выполнение какой-то работы – свободная энергия
. В дыхательной цепи энергия рассчитывается.
ΔF = -23*n*Δе ,
где n- количество переносимых электронов на атом О 2 (2е), Δе – перепад ОВП между началом и концом ЦПЭ.
Δе = 0,82 –(-0,32)=1,14В
ΔF = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль
Эта энергия может быть использована организмом на выполнение различных процессов:
- Механических – сокращение мышц
- Химических – на синтез новых веществ
- Осмотических – перенос ионов против градиента концентрации
- Электрических – возникновение потенциалов в нервной системе
Все организмы в зависимости от энергии, которую они используют делят на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемовары – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.
Макроэргические вещества – вещества при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицеринфосфат, ацилы жирных кислот, АТФ (ГТФ, ЦТФ, УЦФ). Среди перечисленных макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекулярном АТФ заключена энергия на 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) и до 12 ккал/моль в физиологических условиях. Состав АТФ: аденил-рибоза-Н 3 РО 4 - Н 3 РО 4 -Н 3 РО 4 . Синтезируется АТФ из АДФ. Распад АТФ является экзоорганическим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи. Присоединение Н 3 РО 4 называется – фосфолирироваием.
Окислительное фосфолирирование
Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 , за счет энергии транспорта по ЦПЭ. Процессы окисления дыхательной цепи и синтеза АТФ тесно сопряжены. При этом ведущим процессом является транспорт электронов, сопутствующим является фосфолирирование. Участки дыхательной цепи на которых происходит синтез АТФ называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (1, 3, 4 – окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (3,4). Если вещество окисляется в дыхательной цепи, то максимум синтезируются три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования. Он показывает сколько молекул Н 3 РО 4 присоединяется к АДФ при переносе двух электронов на один атом кислорода то есть сколько синтезируется молекул АТФ на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент = 3 для короткой 2.
Механизм окислительного фосфолирирования.
Впервые в тридцатые годы акт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком Энгельгардтом. Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфолирирования стала хемоосмотическая 
теория Митчелла. Согласно ей при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует освободившийся при переносе электрона энергию. В последствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано непроницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н + из матрикса в межмембранное пространство. Переносится 6 – 10 Н+.
Система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. Она позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления NAD*H и ФАДН2 молекулярным кислородом в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи,сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Транспортная цепь у эукариот локализована на внутренней мембране митохондрий. В дыхат.цепи 4 мультиферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.
1ый- КоА-оксидоредуктаза.
1.Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон). 2.Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
2ой-ФАД-зависимые дегидрогеназы.
1.Восстановление ФАД 3ий-цитохром с-оксидоредуктаза.
2.Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с.
3.Переносит 2 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
4ый-цитохром с-кислород оксидоредуктаза.
1.Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.
2.Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны. Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН2.
Электроны по мере передвижения теряют энергию->энергия тратиться комплексами на перекачку протонов Н.Перенос ионов Н происходит в строго определённых участках->участках сопряжения.Результат: происходит наработка АТФ: ионы H+ теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу.Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла.
Дыхательная цепь митохондрий состоит из 5 мультифер-ментных комплексов, субъединицы которых кодируются как ядерными, так и митохондриальными генами. В переноске электронов участвуют коэнзим Q10 и цитохром с. Электроны поступают от молекул NAD*H и FAD"H и переносятся по дыхательной цепи. Высвобождаемая энергия используется для транспорта протонов к внешней мембране митохондрий, а возникающий электрохимический градиент - для синтеза АТФ с помощью комплекса V дыхательной цепи митохондрий
44. Последовательность и строение переносчиков электронов в дыхательной цепи
1 комплекс. НАДН-КоQ-оксидоредуктаза
Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН (флавинмононуклеотид), 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков с общей молекулярной массой до 900 кДа.
Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).
Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
2 комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы
Он включает в себя ФАД-зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил-SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию).
Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.
Обеспечение передачи электронов от ФАДН2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.
46. Биохимические механизмы разобщения окисления и фосфорилирования факторы их вызывающие Разобщение дыхания и фосфорилирования
Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH2возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается. Как правило, разобщители - липофильные вещества, легко проходящие через липидный слой мембраны. Одно из таких веществ - 2,4-динитрофенол (рис. 6-17), легко переходящий из ионизированной формы в неионизированную, присоединяя протон в межмембранном пространстве и перенося его в матрикс.
Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт (см. раздел 14) или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма тема (см. раздел 13), тироксин - гормон щитовидной железы (см. раздел 11). Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.
Выключение фосфорилирования по исчерпании АДФ либо неорганического фосфата сопровождается торможением дыхания (эффект дыхательного контроля). Большое число повреждающих митохондриальную мембрану воздействий нарушает сопряжение между окислением и фосфорилированием, разрешая идти переносу электронов и в отсутствие синтеза АТФ (эффект разобщения)
1. Суммарный выход:
Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо 3 протона.
2. Ингибиторы окислительного фосфорилирования:
Ингибиторы блокируют V комплекс:
Олигомицин - блокируют протонные каналы АТФ-синтазы.
Атрактилозид, циклофиллин - блокируют транслоказы.
3. Разобщители окислительного фосфорилирования:
Разобщители - липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий минуя V комплекс(его протонный канал). Разобщители:
Естественные - продукты перекисного окисления липидов, жирных кислот с длинной цепью; большие дозы тиреоидных гормонов.
Искусственные - динитрофенол, эфир, производные витамина К, анестетики.
Окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие перенос электронов, и окислительное фосфорилирование локализованы в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.
Транспорт электронов к кислороду в митохондриях (рис. 13.3) происходит в несколько этапов и представляет собой цепь из переносчиков электронов, у которых по мере приближения к кислороду возрастает редокс-потенциал (соответственно снижается восстановительный потенциал). Эти транспортные системы получили название дыхательных цепей.
Рис. 13.3.
Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря действию ферментов (дегидрогеназ), использующих в качестве акцепторов электронов коферменты NAD+ и NADP + . Всю эту группу ферментов называют ЫАО(Р)-зависимыми дегидрогеназами.
Коферменты NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), ко- фермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, Q, С, А, А 3) и белки, содержащие негеминовое железо, являются промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD и образования NADH и FADH2.
Последующее движение электронов от NADH и FADH 2 к кислороду можно уподобить скатыванию с лестницы, ступеньками которой являются переносчики электронов. При каждом шаге со ступеньки на ступеньку высвобождается порция свободной энергии (см. рис. 13.3).
В переносе электронов от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три белковых комплекса (I, III, IV) и две подвижные молекулы-переносчики: убихинон (ко- фермент Q) и цитохром С.
Рис. 13.4. Строение молекулы гема, z = 2* или 3 +
Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к циклу Кребса, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи.
Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных кофер- ментов, связанных с белками.
Переносчики электронов цито- хромы (названные так из-за своей окраски) - это белки, содержащие в качестве простетической группы различные группы гемов. Гемы типа Ь соответствуют гемоглобинам. Гем ковалентно связан с белком (рис. 13.4).
Общим для цитохромов является способность иона железа, находящегося в геме, изменять степень окисления при передаче электрона:
Флавинзависимые дегидрогеназы - это белки, у которых сульфгидрильные группы цистеина, входящего в состав белка, связаны с атомами железа, в результате чего образуется железосерные комплексы (центры). Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах способны отдавать и принимать электроны, переходя поочередно в ферри- (Fe +3) и ферро- (Fe +2) состояния.
Железосерные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами FAD или FMN.
Фпавинадениндинуклеотид (FAD) является производным витамина В 2 (рибофлавина). Восстанавливаясь, FAD (окисленная форма) присоединяет два атома водорода и превращается в FADH 2 (восстановленная форма):
Еще один переносчик электронов, относящийся к данной группе, - флавинмононуклеотид (FMN) также является производным витамина В 2 (отличается от витамина В 2 только наличием фосфатной группы).
Оба флавиновых кофермента могут существовать и в форме так называемых семихинонов - свободных радикалов, которые образуются в результате переноса только одного электрона на FAD или FMN:
Общее обозначение различных флавопротеидов, различающихся белковой составляющей фермента, - FP„.
Пиридинзависимые дегидрогеназы получили такое название потому, что коферментом для них служат NAD + и NADP + , в молекулах которых имеется производное пиридина - никотинамид:
Катализируемые этими ферментами реакции можно представить следующим образом:
Дегидрогеназы, связанные с NAD + , принимают участие главным образом в процессе дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с NADP + , участвуют преимущественно в переносе электронов от субстратов, возникающих в результате катаболиче- ских реакций, к восстановительным реакциям биосинтеза.
Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон, названный так потому, что этот хинон встречается везде (от ubiquitous - вездесущий). Сокращенно его обозначают CoQ или просто Q. Убихинон при восстановлении присоединяет не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном переносе он превращается в семихинон, двухэлектронном - в гидрохинон.
Последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий можно представить следующей схемой:
Эта схема описывается цепью последовательных реакций:
Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстратов достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. Образующаяся в результате этого процесса вода называется метаболической.
Разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий представляет собой цепь переноса электронов, которая работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны.
Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т. е. атомов водорода) от органических веществ на кислород. В этом процессе участвует ряд промежуточных переносчиков, образующих дыхательную цепь.
Дыхательная цепь (электронотранспортная цепь, цепь переноса электронов ) - система трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.
При взаимодействии НАД + и НАДФ + с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода.
В молекулу НАД + (НАДФ +) включаются 2 электрона и один протон, второй протон остается в среде:
Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН):
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий.
Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов (рис. 33).
Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) включает ФМН и железосерный белок FeS (негемовое железо). Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе. Комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на кофермент Q (KоQ) и перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
KoQ (убихинон ) - производное бензохинона. Это некрупная липофильная молекула. Перемещаясь в липидном слое мембраны, убихинон обеспечивает передачу электронов между комплексами I - III и II - III.
Комплекс II (сукцинат-дегидрогеназа) включает ФАД и железосерный белок . Обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счет окисления сукцината.
Комплекс III (QН 2 -дегидрогеназа)
включает цитохромы b
и с 1
и железосерный белок
. Цитохромы
- гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Комплекс III переносит электроны с убихинона на цитохром с
и перекачивает
2 протона в межмембранное пространство.
Комплекс IV (цитохром c оксидаза) состоит из цитохромов a и a 3 , которые, помимо гема, содержат ионы меди . Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O 2 и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.
Цитохром а 3 - терминальный участок дыхательной цепи (цитохромоксидаза) : происходит окисление цитохрома с и образование воды. В организме человека митохондриальная дыхательная цепь образует 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).
Компоненты дыхательной цепи митохондрий расположены в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит по градиенту окислительно-восстановительного потенциала и является источником энергии для переноса протонов. Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном направлении - с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент протонная АТФ-синтаза (рис. 34).
АТФ-синтаза состоит из двух частей – статора и ротора.
Статор состоит из трех α-субъединиц и трех β-субъединиц – они участвуют непосредственно в синтезе АТФ из АДФ и фосфата. К ним примыкает δ-субъединица, и все вместе они образуют F1-субъединицу.
Ротор состоит из g- и e-субъединиц.
Статор держится в мембране, а ротор вращается за счет энергии протонов.
В статоре имеется протонный канал (F0). Он состоит из двух полуканалов, которые смещены один относительно другого. Протон проходит одну половину канала, затем на вращающемся роторе попадает во вторую половину канала.
| Рис. 34. Строение протонной АТФ-синтазы |
Движущей силой для АТФ-синтазы, катализирующей реакцию
АДФ + Н 3 РО 4 = АТФ + Н 2 О,
является разность электрохимических потенциалов, создаваемая при движении протонов через канал.
П. Митчелл для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи в 1960 г. предложил хемиосмотическую концепцию :в дыхательной цепи есть только 3 участка (комплексы I, III, IV), где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ.
Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшейся АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О . Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3 , если реакция окисления идет с участием НАДН+Н + , и 2 , если окисление субстрата протекает через ФАДН 2 . Реально получаемые величины меньше (2,5 и 1,5), т.е. процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны.
Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в матрикс митохондрии.
На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин., если бы не было ее регенерации. При образовании тромба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соответственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт миокарда ).
Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.
Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК) :
В норме ЭЗК = 0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости ее использования, адениловая система насыщена энергией.
При ЭЗК < 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.
Если ЭЗК = 1, то процессы синтеза АТФ тормозятся и ускоряется ее использование.
Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью. Относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, тогда как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.
Т.о., энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для биохимических и физиологических процессов. Эти превращения энергии и есть энергетический обмен .
Гипоэнергетические состояния подразделяются на:
1. Алиментарные (голодание, авитаминоз).
2. Гипоксические. Связаны:
С нарушением поступления кислорода в кровь. Экзогенная гипоксия - недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе, легочная (дыхательная) –нарушение легочной вентиляции;
С нарушением транспорта кислорода в крови. Гемодинамическая гипоксия связана с нарушениями кровообращения (генерализованные – пороки сердца, кровопотеря; локальные – спазм сосудов, тромбоз); причины гемоглобиновой гипоксии – гипогемоглобинемия, гемоглобинопатии, блокирование гемоглобина ядами.
3. Митохондриальные. Затруднено использование кислорода в клетках в результате нарушения функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.
При полном голодании пищевых резервов организма хватает на несколько недель. При лишении же организма кислорода смерть наступает через 2-3 минуты. Поэтому гипоксия - наиболее частая причина гипоэнергетических состояний, а гипоксия мозга - непосредственная причина смерти. Среди реанимационных процедур ведущее место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов кислородом.
