бышевский-биохимия для врача

5. pH с наружной стороны внутренней митохондриальной мембраны ниже, чем с внутренней, на 1,4 единицы (наружная сторона несет положительный заряд).

6. Создание градиента pH в митохондриях в условиях эксперимента вызы ­ вает синтез АТФ, даже если перенос электронов не происходит.

7.Дыхательная цепь локализована во внутренней мембране митохондрий таким образом, что ее начальное звено (НАД-дегидрогеназы) обращено в матрикс, к внутренней поверхности внутренней мембраны, а звено, представленное цитохромами, к цитоплазме (наружной поверхности внутренней мембраны).

8.Соединения, которые могут транспортировать протоны через мембрану митохондрий (протонофоры), не нарушают тканевого дыхания, но блокируют синтез АТФ, разобщают тканевое дыхание и фосфорилирование.

9.Блокирование транспорта электронов с помощью ингибиторов прекращ ает образование протонного градиента.

10.Во внутренней мембране митохондрий вмонтирован фермент, который представлен белковым комплексом, состоящим из двух компонентов:

а) фактор Ғр обращенный к матриксу, катализирует синтез АТФ,

представляет собой АТФ-синтетазу;

б) фактор Fo пронизывает мембрану до ее цитоплазматической поверхности. Этот фактор — протонный канал — обеспечивает транспорт протонов в матрикс, что приводит к синтезу АТФ.

Функционирование протонного канала (фактора Ғ ) — обязательное условие проявления активности АТФ -синтетазы (фактора Ғ(). Блокирование фактора Fo антибиотиком олигомицином нарушает ток протонов и останавливает синтез АТФ фактором Fj. Предполагается, что ток протонов, активируя Н3Р 0 4 и одновременно взаимодействуя с АДФ, ведет к образованию АТФ. Имеется и другая точка зрения: ток протонов обеспечивает конформационные изменения фактора F , обеспечивающие ее АТФ-синтетазную активность.

Эти экспериментальные данные можно расценивать следующим образом. Синтез АТФ в митохондриях сопряжен с тканевым дыханием, т.е. с переносом

протонов и электронов по дыхательной цепи. Перенос происходит при участии вмонтированных в мембрану определенным образом дыхательных ферментов. Мембрана непроницаема для протонов, но в присутствии протонофоров, которые «протаскивают» протоны через мембраны, синтез АТФ прекращ ается при сохранении тканевого дыхания. Транспорт электронов в матрикс сопровождается «выталкиванием» протонов на цитоплазматическую поверхность внутренней мембраны митохондрии, и это ведет к появлению разницы потенциалов на мембране. Разница потенциалов может обеспечить синтез АТФ, даж е если перенос электронов не происходит. И наконец, имеется комплекс, который обеспечивает обратный ток протонов через протонный канал. Обратный ток протонов ведет к активации АТФ-синтетазы.

Таким образом, сопряжение тканевого дыхания с окислительным фосфорилированием обеспечивается внутренней митохондриальной мембраной, целостность которой обусловливает возникновение движущей силы синтеза АТФ — протонного градиента. Согласно представленной ниже схеме (рис. 40), процесс протекает так.

1.Дегидрогеназа НАДН2, расположенная на поверхности мембраны митохон­ дрии, обращенной к матриксу, отдает пару электронов на дегидрогеназу ФМН. Это позволяет ФМН принять пару протонов из матрикса с образованием ФМНН2. Пара протонов, принадлежавших НАД, выталкивается на цитоплаз­ матическую поверхность мембраны.

2.Дегидрогеназа ФМНН, выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдает на KoQ (убихинон), который при этом получает способность присоединить пару протонов из матрикса с образова­ нием KoQ Н2.

3.KoQ Н, выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебра­ сываются на кислород в матриксе с образованием воды. В итоге при переносе пары электронов из матрикса на цитоплазматическую поверхность перекачи­ вается 6 протонов, что и ведет к созданию разницы потенциалов и разницы pH между поверхностями внутренней мембраны.

малата, глутамата). Нарушение транспорта АТФ или фосфата тормозит синтез АТФ.

Перенос водорода от цитоплазматической НАД Н+ на митохондриальную НАД. Наряду с НАД Н+ митохондриальной, образующейся при окислении субстратов в митохондрии, происходит образование НАДН2 в цитоплазме при окислении таких субстратов, для которых митохондриальная мембрана не проницаема. Использование НАДН2 цитоплазматической в тканевом дыхании как источника энергии обеспечивает мембранная система, которая переносит водород от НАДН2, образующейся при действии митохондриальных дегидроге­ наз, —источник протонов и электронов для цепи дыхательных ферментов, локализованных во внутренней мембране митохондрий. НАДН2 цитоплазмати­ ческая, образующейся при действии дегидрогеназ, находится в цитоплазме

— источнике водорода (восстановительного эквивалента) для внутримитохондриальной НАД, превращающий ее в НАДН2.

Касаясь метаболизма отдельных субстратов, мы будем при необходимос­ ти уточнять, где происходит их окисление — в матриксе или вне его.

Разобщ ение процессов дыхания и окислительного фосф орилирования наблюдается при наличии в клетке протонофоров, т.е. молекул, способных переносить протоны через мембрану. В этом случае выравнивается градиент pH, исчезает движ ущ ая сила фосфорилирования. К числу протонофоров относятся динитрофенол, гормон щитовидной ж елезы и др. С оединения, разобщающие дыхание и фосфорилирование, называют разобщ ит елями.

Основной путь продуцирования энергии — транспорт водорода от дегидрируемых субстратов к кислороду — осуществляется при участии дыхательных ферментов, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Выброс протонов на цитоплазматическую поверхность этой мембраны создает разность потенциалов и pH, которые служат движу­ щей силой синтеза АТФ в матриксе. Непосредственно за сопряжение дыхания и синтеза АТФ отвечает движение протонов через протонный канал в обратном направлении, что сопровождается активацией АТФсинтетазы. Накопление АТФ ведет к ее выходу в цитоплазму в обмен на АДФ, поступающую в противоположном направлении. Восстановление НАД в матриксе, как первого звена дыхательной цепи, происходит не только за счет действия митохондриальных дегидрогеназ, но и за счет НАДН2 цитоплазмы. Водород НАДН2 цитоплазмы переносится к НАД матрикса специальными транспортными системами.

Скорость окислительного фосфорилирования зависит, в первую очередь, от содержания АДФ: чем быстрее расходуется АТФ при выполнении свой­ ственных организму видов работ, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и, следовательно, в синтезе АТФ. Накопление АТФ, естественно, сопровождается снижением содержания АДФ. Скорость образова­ ния АТФ при этом также уменьшится.

При ограниченной потребности в АТФ падает и скорость переноса электро­ нов и протонов от субстратов-источников энергии, т.е. падает скорость окис­ лительного распада субстратов.

Регуляция скорости окислительного фосфорилирования содержанием АДФ называют дыхательным контролем.

Транспорт кислорода. Конечный акцептор водорода в дыхательной цепи — кислород — должен быть доставлен в клетки. Переносчиком 0 2 у высших животных служит гемоглобин (НЬ) — сложный белок из класса хромопротеи­ дов. Важнейшее свойство НЬ — способность присоединять кислород: 1 атом железа связывает 1 молекулу 0 2. В молекуле НЬ 4 атома железа, следовательно, моль НЬ может связать 4 моля кислорода, т.е. 89 600 мл или 1,34 мл 0 2 на 1 г.

Связывание кислорода происходит в легких, где его парциальное давление велико (около 100 мм рт. ст.). В тканях, где парциальное давление ниже (около 35 мм рт. ст.), Н Ь 02 диссоциирует на НЬ и 0 2, доставляя таким образом кислород к тканям. В обратном направлении гемоглобин транспортирует углекислоту, образующуюся в тканях. Связывание 0 2 происходит с помощью аминогрупп белковой части гемоглобина.

3.3.2. Субстратное фосфорилирование

Синтез АТФ, протекаю щ ий помимо дыхательной цепи либо за счет окисления, либо за счет молекулярной перестройки субстрата, называют субстратным фосфорилированием.

Окисление. Образуется нестабильный энзимсубстратный комплекс, кото­ рый подвергается дегидрированию при участии дегидрогеназы НАД. Энергия, высвобождающаяся при окислении, затрачивается на образование макроэрги­ ческой связи энзим-субстрат. Комплекс атакует гидроксильную связь в фос­ форной кислоте и остаток фосфата замещ ает в субстрате энзим. Связь окисленный субстрат-фосфат сохраняет избыток энергии, является макроэр­ гической. Далее фосфорилированный продукт взаимодействует с АДФ, фосфо-

3-(ф>) -глицери­ новая кислота

Молекулярная перестройка рассмотрена на примере преобразования 2- фосфоглицериновой кислоты в пировиноградную кислоту:

1)отщепление молекулы воды енолазой с запасанием высвободившейся энергии в макроэргической связи с остатком фосфорной кислоты;

2)перефосфорилирование с АДФ

В обоих случаях синтез АТФ протекает без участия кислорода, т.е. в анаэробных условиях.

Все процессы жизнедеятельности в организме могут быть сведены к выполнению одного или более из четырех видов работы — механической, осмотической, химической или электрической. Любой вид работы сопро­ вождается потреблением энергии, источник которой — макроэргические соединения, преимущественно АТФ. Непрерывность процессов жизнеде­ ятельности влечет за собой непрерывные энерготраты, расходование АТФ, пополнение запасов которой должно осуществляться такж е непре-