Тканьовий подих

Основною функцією тканьового подиху є забезпечення клітин енергією, необхідної для здійснення роботи (м'язове скорочення, перенос речовин через мембрани проти градієнта концентрації, біосинтез і т.д.).

Один оборот циклу трикарбонових кислот приводить до повного перетворення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу відповідно за наступним рівнянням:

Н₃С – З – СООН +4НАД + ФАД+АДФ+Р_НЕОРГ 3З₂ + 4НАДН• Н⁺ +

+ФАДН₂+АТФ.

У рівнянні всі компоненти записані в недисоційованій формі, хоча при фізіологічних значеннях рн у реакцію вступають відповідні аніони й катіони.

Окиснені і відновлені коферменти, наведені в рівнянні, є коферментами дегідрогеназ циклу трикарбонових кислот (НАД – для піруват-, ізоцитарт-, а-кетаглутарат і малатдегідрогенази, ФАД – для сукцинатдегідрогенази). Рівняння враховує утворення АТФ у реакції окисного декарбоксилювання а -кетоглутарату.

При розгляді енергетики подиху "головним продуктом" розпаду піровиноградної кислоти варто вважати водень, збережений у вигляді відновлених коферментів.

Розглянемо енергетику окиснення відновленої форми нікотинамідаденіндинуклеотиду киснем - головним універсальним окислювачем, що надходить у клітини з артеріальної крові.

Зміна вільної енергії в реакції

НАДН• Н⁺ + ½0₂ →НАД⁺ + Н₂0 (1)

може бути визначена з рівняння:

G = n·F·Е´₀ , (2)

де G – зміна вільної енергії окислювально-відновної реакції; ,

n – число електронів, що беруть участь в окисному перетворенні;

Е₀ – різниця стандартних окислювально-відновних потенціалів реагуючих речовин при рн = 7;

F – тепловий еквівалент роботи, рівний 23,062 ккал/вольт.

При рн = 7 окислювально-відновні процеси для реакції (1) можуть бути записані в такий спосіб:

½O₂+2е+2H⁺ → H₂O (E₀' = + 0,82B),

НАДН·Н⁺ → НАД⁺ +2е +Н⁺ (E₀' = + 0,32B).

Різниця окислювально-відновних потенціалів цих напівреакцій дорівнює:

Е₀' = 0,82 У - (-0,32 У) = 1,14 У.

Вільна енергія реакції (1) може бути тепер розрахована за рівнянням (2):

G = -(2) х 23,062 х 1,14 = -52,6 ккал.

Таким чином, окиснення одного г-моля відновленого НАД одним г-атомом кисню супроводжується виділенням 52,6 ккал.

Потенціал пари ФАД/ФАДН₂ дорівнює нулю, і розрахунок величини вільної енергії при окислюванні ФАДН₂ киснем дає величину

G = -37,8 ккал/моль.

Сумарна зміна вільної енергії при окисненні киснем п'яти пар атомів водню, запасених у вигляді відновлених коферментів, у ході окиснення піровіноградної кислоти становить:

4 х (-52,6) + 1 х (-37,8) = -248 ккал/моль, що значно більше величини вільної енергії анаеробного розпаду глюкози до молочної кислоти (G = -47 ккал/моль).

Таким чином, головним у кількісному відношенні процесом, що забезпечує клітини енергією, є аеробне окиснення або подих.

Процес окиснення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу й відновлених коферментів, а також окиснення останніх киснем відбувається у високоспеціалізованих органелах – мітохондріях. Мітохондрії є замкнуті структури, утворені фосфоліпідними мембранами, що містять спеціальні ферменти - дихальні переносники. Функція цих ферментів (флаво- і гемопротеїдів) складається в послідовному переносі Н⁺ і електронів від відновлених коферментів (НАДН·Н⁺, ФАДН₂) до кисню. Послідовність переносу Н⁺ і електронів у ланцюгц цих ферментів (дихальний ланцюг) може бути представлена у вигляді наступної схеми (см. с. 65).

Варто звернути увагу, що в дихальному ланцюзі є три ділянки, в яких перенос електронів супроводжується більшим зниженням енергії (потік електронів спрямований завжди таким чином, щоб у результаті вільна енергія системи зменшувалася). Це ті ділянки, де енергія, яка вивільняється, запасається, тобто використовується для синтезу АТФ.

Окиснення одного моля НАДН-Н₂ або одного молі бурштинової кислоти киснем за допомогою дихального ланцюга сполучено з утворенням трьох і двох молів АТФ відповідно. Молекулярний механізм сполучення реакцій переносу електронів з утворенням АТФ (окисне фосфорилювання) не може вважатися розшифрованим. Але у цей час одержала визнання хеміосмотична гіпотеза П.Мітчела, що намагається пояснити сполучення переносу електронів із синтезом АТФ. Через недолік місця ми не можемо її розглянути й відсилаємо студентів до посібників А.Ленінджера і Л.Страйера, в яких досить докладно викладені принципи хеміосмотичної гіпотези.

Термодинамічний розгляд сполученого з переносом електронів фосфорилювання показує, що з 52,6 ккал вільної енергії окиснення НАДН·Н⁺ киснем 30 ккал запасаються у вигляді АТФ. При окисненні бурштинової кислоти [G - -37,8 ккал/моль] 20 ккал запасаються у вигляді АТФ. Інша енергія розсіюється у вигляді тепла.

Загальне число молекул АТФ, які утворюються при окисненні однієї молекули піровиноградної кислоти через цикл трикарбонових кислот становить:

(4 х 3) + (1х 2) + 1 = 15.

14 молекул АТФ утворюється при переносі електронів по дихальному ланцюзі і 1 молекула АТФ – при розпаді сукциніл-КоА, який утворився при окисному декарбоксилюванні а-кетоглютарової кислоти. Звідси випливає, що окиснення двох молекул піровиноградної кислоти, яка утворюється в процесі гліколізу з однієї молекули глюкози, супроводжується утворенням тридцяти молекул АТФ.

В аеробних умовах піровиноградна кислота не може служити акцептором протонів і електронів з відновленого НАДН-Н⁺, утворення якого відбувається на стадії окиснення гліцеральдегид-3-фосфату, і, отже, молочна кислота в цих умовах не утворюється. Відомо, що внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для піридиннуклеотидів. Перенос відбудовних еквівалентів від цитоплазматичного НАДН-Н у мітохондрії здійснюється непрямим шляхом, а завдяки функціонуванню спеціальних човникових систем:

1) Малатаспартатна човникова система, що діє в мітохондріях серця, печінки, бруньок (сама активна, двостороння, тобто здатна переносити еквіваленти, що відновлюють, також з мітохондрій у цитозоль). Завдяки малатаспартатній човниковій системі відбудовні еквіваленти, перенесені в мітохондрії на НАД⁺ з утворенням НАДН, що надходить у дихальний ланцюг, передає електрони далі по дихальному ланцюзі. При цьому синтезується 3 молекули АТФ.

НАДФН

а –кетоглютарат малат

ізоцитрат В – гідрооксибутират

піруват НАД

Е - ФМН

Ділянка (1)

[Fe – S]n АТФ

КоА – похідні Ko Q Сукцинат(бурштинова кислота)

жирних кислот

інші флавінзалежні

дегідрогенази

гліцерофосфат

цит.в

Ділянка (2)

цит.с₁ АТФ

цит.с

цит.аа₃ Ділянка (3)

( цитохромооксидаза) АТФ

О₂

2) Гліцеролфосфатна човникова система – човникова система іншого типу. Вона відрізняється від описаної вище малатаспартатної човникової системи кінцевим етапом своєї дії (однобічна), тобто, переносить еквіваленти, які відновлюють, із цитозолю тільки в мітохондрії і передає їх у дихальний ланцюг не на ділянку 1, а на ділянку 2. Окиснення НАДН у цьому випадку дає не три молекули АТФ, а тільки дві (див. схеми дихального ланцюгу). Звідси неважко розрахувати сумарний енергетичний баланс повного окиснення однієї молекули глюкози в аеробних умовах (з урахуванням окиснення гліколітичного НАДН·Н⁺ у мітохондріях). Він дорівнює 36 молекулам АТФ при функціо­нуванні гліцеролфосфатної човникової системи та 38 молекулам АТФ – у випадку малатаспартатної човникової системи. Нагадаємо, що при гліколізі утворюється усього лише 2 молекули АТФ на одну молекулу глюкози. Просте зіставлення цих величин показує, що енергетична ефективність аеробного окиснення глюкози в 16 - 18 раз вище у порівнянні з анаеробним перетворенням глюкози в молочну кислоту в процесі гліколізу.