Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза атф

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н+-АТР-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны. [2]

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Сопряжение между дыханием и синтезом АТФ может быть нарушено разобщителями. Разобщители нарушают дыхательный контроль (т.е. стимулируют дыхание в отсутствие синтеза АТФ) и стимулируют гидролиз АТФ в митохондриях.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 FADH₂ возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается. [3]

Разобщающее действие вызывает специфический фермент — аденозинтрифосфатаза, а также другие фосфатазы. Существуют и специфические ингибиторы (яды) окислительного фосфорилирования — так называемые разобщающие агенты или факторы. Типичным представителем последних является динитрофенол, механизм действия которого заключается, в конечном итоге, в стимулировании фосфатазной активности клетки. Динитрофенол и аналогичные ему агенты (например, дикумарол, арсениты) не затрагивают природы самих компонентов, участвующих в процессе фосфорилирования. Их действие заключается только в гидролизе макроэргических связей в молекуле АТФ или не содержащих фосфора предшественников последней. Наряду с этим имеется группа ингибиторов фосфорилирования, действие которых основано на связывании компонентов, участвующих в транспорте электронов по цепи. Таковы цианиды, амитал, антимицин и др. Известны, наконец, агенты, ингибирующее действие которых распространяется на соединения, участвующие в сопряжении окисления с фосфорилирование. Некоторые из ингибиторов оказывают комплексное воздействие. [4]

Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма, тироксин - гормон щитовидной железы Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.

Тироксин, также обладающий разобщающим действием, вызывает набухание митохондрий, увеличивает проницаемость митохондриальной мембраны. Часть субстратов цикла Кребса выходит в гиалоплазму. Окисление их ферментами гиалоплазмы при участии экстрамитохондриального НАД приводит к увеличению образования тепла в результате свободного окисления. Выработка АТФ в клетке уменьшается.

При разобщении окисления и фосфорилирования наблюдается несоответствие между данными прямой и непрямой калориметрий. При отравлении 2,4-а-динитрофенолом теплопродукция по калориметру может на 50-80% превышать рассчитанную по газообмену. При тиреотоксикозе теплопродукция по калориметру может превышать рассчитанную по газообмену на 20-40%.