ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - это синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в в процессе клеточного дыхания.
СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - это синтез АТФ, не связанный с электрон-транспортной системой, при котором остаток фосфорной кислоты (Н2РО3) переносится на АДФ от высокоэнергетического (фосфорилированного) соединения. Для ряда анаэробов (осуществляющих брожение) является единственным способом получения энергии.
В процессе биологического окисления около 50% энергии резервируется клетками тканей в макроэргических соединениях, преимущественно АТФ. Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием энергии, выделяющееся при окисления веществ в живых клетках, и связанный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.
Окислительного фосфорилирования может осуществляться на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование), но главным образом на различных этапах дыхательной цепи. Субстратное фосфорилирование, как отмечалось выше, происходит путем непосредственной передачи молекулы активного фосфата с субстратов, содержащих макроэргических связь, на АДФ с образованием АТФ (см. Обмен углеводов, липидов). Например, промежуточный продукт распада глюкозы и триацилглицеры-нов 2-фосфоенолпировиноградна кислота отдает свой активный фосфат на АДФ с образованием АТФ за реакцией. Однако субстратное фосфорилирование дает незначительное количество молекул АТФ. Основное их количество синтезируется в процессе фосфорилирования, которое связано с клеточным дыханием. Установлено, что на каждом этапе переноса электронов от одного переносчика на другой они переходят с одного энергетического уровня на другой (ниже), в результате чего происходит высвобождение определенного количества энергии. Однако существует три этапа, когда энергии, высвобождаемой, достаточно для синтеза АТФ
На основе данных термодинамики допускала наличие трех участков (пунктов) дыхательной цепи, которые сопровождались синтезом АТФ. Опыты с применением специфических ингибиторов определенных ферментов дыхательной цепи подтвердили эти данные. Так, ро-тенон (инсектицид - токсичное вещество растительного происхождения, применяется индейцами как яд) блокирует перенос электронов на участке от НАДН2 к КОО. При этом все компоненты дыхательной цепи переходят в окисленный состояние, т.е. уменьшается скорость транспорта электронов. Амитал (барбитураты натрия) препятствует восстановлению КОО. Антибиотик антимицин А
блокирует перенос электронов от цитохрома b цитохром Cj, а цианиды, азид натрия, сероводород связываются с цитохромоксы-ГАЗО и препятствуют переходу электронов с ЦХО на молекулярный кислород.
Из приведенной выше схемы (рис. 57) следует, что первая молекула АТФ синтезируется во время переноса электронов и протонов на участке «никотинамидных кофермент - флавопротеид - KoQ», вторая - при переносе электронов от цитохрома b цитохром с1 и третья - на участке переноса электронов от цитохромоксидазы на молекулярный кислород. Отсюда при переносе двух атомов водорода в дыхательной цепи образуется три молекулы АТФ.
Итак, в дыхательной цепи есть три участка, в которых перенос электронов сопровождается значительным снижением свободной энергии. Это те участки, где освобождена энергия запасается, то есть используется для синтеза АТФ.
Основными постулатами теории Митчелла является следующее:
1. 1) внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов и малых молекул (за исключением молекул воды);
2. 2) дыхательная цепь работает как «насос», что скачивает протоны из матрикса в межмембранного пространство – движение 2 электронов от субстрата на кислород приводит к переносу 8-10 Н + (протоны транспортируются через I, III и IV комплексы) через мембрану;
3. 3) работа дыхательной цепи создает электрохимический градиент протонов (??Н +), так как они свободно через внутреннюю митохондриальную мембрану вернуться в матрикс не могут и будут накапливаться в мижмемб-ранний пространстве; ??Н + – это промежуточная форма хранения энергии окисления субстратов;
4. 4) энергию протонного градиента использует Н + -АТФ- синтаза (V комплекс) для синтеза АТФ, когда через одну из ее субъединиц протоны возвращаются в матрикс;
5. 5) существуют соединения – разъединители окислительного фосфорилю ния, которые нарушают электрохимический градиент протонов и снижают эффективность работы Н + АТФ-синтазы.
Согласно этой теории, трансмембранные потенциалы ионов могут служить источником энергии для синтеза АТФ, транспорта веществ и других энергозависимых процессов в клетке. В частности, АТФ синтезируется за счет кинетической энергии протона, проходящего через АТФ-синтетазу (специфический тоннельный белок, пронизывающий мембрану).
Протонная АТФ-синтаза – это олигомерных белок, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрии и по строению напоминает гриб. Она содержит две субъединицы:
Fo – протонный канал (в – от «олигомицин»); только через этот канал протоны могут вернуться в матрикс;
F1 – фермент, который использует энергию, которая высвобождается при транспорте протонов через Fo для синтеза АТФ из АДФ и Фн.
П.Митчелл в своей теории теоретически отдал функцию сопряжения окисления и фосфорилирования именно Н + АТФ-азу. Экспериментальное пиддтердження этот факт нашел в трудах Джона Уокера и Пола Бойера, которые за «Выяснение энзимного механизма, лежащего в основе синтеза аденозин-фосфата» в 1997 году получили Нобелевскую премию по химии.
На сегодня известно, что при транспорте протонов через Fo-субъединицу происходят конфирмацийни изменения в активном центре F1-субъединицы, которые приводят к ее активации и соответственно синтеза АТФ и ее высвобождение. Молекулы АТФ, синтезируемых транспортируются в цитозоль с помощью транслоказы.
Для синтеза молекулы АТФ, ее высвобождения и транспорта в цитозоль нужна энергия 4 протонов (40% этой энергии идет на синтез АТФ, 60% выделяется в виде тепла).
Количество молекул неорганического фосфата, которое перешло в связанную форму (то есть в АТФ) в пересчете на один атом кислорода называется коэффициент окислительного фосфорилирования и обозначается Р / O (коэффициент фосфорилирования).
Коэффициент Р / O численно равно количеству молекул АТФ, синтезировались в результате транспорта 2 ? на один атом кислорода. Поэтому для субстратов, окисляются под действием НАД-зависимых дегидрогеназ Р / O = 3 (например, для пирувата, ?-кетоглутарата, изоцитрата, малата). Для субстратов, которые окисляются с помощью ФАД-зависимых дегидрогеназ, этот коэффициент равен 2 (например, для сукцината, ацил-КоА, глицерил-3-фосфата).
Согласно этой теории, перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается скачиванием протонов с матрикса через внутреннюю мембрану в водную среду межмембранного пространства.
Предполагают, асимметрично расположенные в мембране компоненты дыхательной цепи образуют три петли, которые переносят через мембрану протоны, то есть служат протонной помпы. С каждой парой электронов, передаваемых от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют из матрикса митохондрий шесть протонов (по новым данным, не менее 9). Таким образом, энергия, которая выделяется при переносе электронов, затрачивается на перекачку ионов Н + против градиента концентрации. Вследствие скачивания ионов Н + с матрикса внутреннюю сторону внутренней мембраны митохондрий становится электроотрицательным, а внешний – электроположительны, то есть возникает градиент концентрации ионов водорода: меньше в матриксе и больше – во внешней водной фазе. Суммарный электрохимический протонный потенциал сказывается??Н +. Он состоит из 2-х компонентов: ??Н = ?рН и?V.
Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н +, а также ионов ОН, К +, Na +, СI-, но мембранный белок Fo АТФазы образует канал, по которому ионы Н + возвращаются в матрикс по градиенту концентрации, свободная энергия, которая при этом выделяется, используется F1-компонентом АТФазы для синтеза АТФ из АДФ и Фн.
Фосфорилирование АДФ в митохондриях;
Аэробное окисление питательных веществ с образованием углекислого газа и воды.
При менее интенсивной нагрузке - при умеренной мышечной активности - когда к мышечным клеткам доставляется достаточное количество кислорода, происходит образование АТФпреимущественно путем окислительного фосфорилирования - аэробное окисление углеводов и жиров с образованием углекислого газа, воды и АТФ. В течение первых 5-10 мин главным ресурсом для этого служит гликоген. В последующие ~30 мин доминирующими становятся источники энергии, доставляемые кровью, причем глюкоза и жирные кислоты участвуют примерно в одинаковой мере. На более поздних этапах сокращения преобладает утилизация жирных кислот, а глюкоза расходуется меньше. Процесс протекает в митохондриях – энергетических станциях клеток – длительный путь, включающий цикл Кребса (ЦТК – цикл трикарбоновых кислот) и электрон- транспортную цепь (где собственно происходит окисление), детально описанный в учебниках биохимии
Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА, метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования.
Окислительное фосфорилирование включает в себя превращение пирувата в ацетил-КоА и, в конечном счете, его полное окисление до углекислого газа и воды. Это превращение совершается в цикле Кребса и в цепи переноса электронов (ЦПЭ). Реакции общего пути катаболизма происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий.
Рис.18. Схема получения энергии мышечной клеткой.
Пути получения энергии мышечной клеткой взаимосвязаны и могут пересекаться. Сначала рассмотрим этот процесс на примере использования самого универсального источника энергии - глюкозы (рис.18 ).
В цитоплазме молекула глюкозы превращаются в пируват в процессе гликолиза. Параллельно с этим синтезируется АТФ. Гликолиз не требует присутствия кислорода. Однако образовавшийся пируват может быть и дальше использован клеткой для получения энергии, в этом случае получится синтезировать гораздо больше АТФ, чем при гликолизе. Этот процесс, который носит название окислительного фосфорилирования, происходит в митохондриях, и для него клетке уже нужен кислород. Пируват попадает в митохондрию, где вступает в Цикл Кребса. Основным продуктом этого цикла является NADН (НАДАН) (читается «над-аш»). NADН вступает в процесс окислительного фосфорилирования, который протекает во внутренней мембране митохондрии. В результате синтезируется АТФ, причем в гораздо большем количестве, чем при гликолизе
Рис.19. Катаболизм основных пищевых веществ. 1-3 - пищеварение; 4-8 - специфические пути катаболизма; 9-10 - заключительный (общий путь) катаболизма; 11 - ЦПЭ; 12 - окислительное фосфорилирование.
Какие вещества используются в различных метаболических путях?
Для гликолиза могут использоваться только углеводы. Почти все легко усваиваемые углеводы могут превращаться в глюкозу или запасаться в форме гликогена. Гликоген и глюкоза метаболизируются в процессе гликогенолиза и гликолиза. Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА (рис. 19), метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования. В частности, жиры расщепляются до глицерина, который затем превращается в пируват и жирные кислоты. Жирные кислоты окисляются в митохондриях в процессе р-окисления до ацетил-КоА. Белки расщепляются до аминокислот, которые после дезаминирования (удаления NH3) превращаются в пируват или в ацетил-КоА и поступают в цикл Кребса. Ни в одной реакции цикла Кребса и р-окисления не используется кислород, однако, если ЦПЭ не включается, то возникает дефицит акцепторов электронов (НАД, ФАДН), что приводит к замедлению, а затем и полному прекращению обмена веществ.
Превращение пирувата в ацетил-КоА происходит при участии набора ферментов, структурно объединённых в пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК). Ацетильный остаток - ацетил- Ко А далее окисляется в цикле лимонной кислоты до СО 2 и Н 2 О. В этих реакциях окисления принимают участие NAD- и FAD-зависимые дегидрогеназы, поставляющие электроны и протоны в ЦПЭ, по которой они передаются на О 2 .
Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования.
Рис. 20.Эффективность и экономичность основных путей энергообеспечения
Известно, что при аэробном окислении из одной молекулы молочной кислоты происходит ресинтез в углевод 4–6 других молекул молочной кислоты, а окисление углеводов в полных кислородных условиях сопровождается значительно большим освобождением энергии для ресинтеза глюкозы, чем при анаэробном процессе. В связи с этим в аэробных условиях глюкоза может образовать в 19 раз больше АТФ по сравнению с анаэробными. Следовательно, аэробный путь энергообеспечения является более эффективным и экономичным (рис.20 ).
Сравним три пути ресинтеза АТФ.
| Сравнение: | три пути ресинтеза | АТФ. | |
| КРЕАТИНФОСФАТНЫЙ | ГЛИКОЛИЗ | ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ | |
| Локализация | Сократительный участок мышцы | Цитоплазма | Митохондрия |
| Субстрат | КФ | Глюкоза/гликоген | Пируват (или ацетил-коэнзим А [КоА]) |
| Продукт | Креатин + Рi| | Пируват или лактат | Углекислый газ и вода |
| Количество стадий | 11 + перенос электронов | ||
| Выход АТФ, молекул | |||
| Использование кислорода | Нет | Нет | Да |
| Скорость | Быстрый | Быстрый | Медленный |
| Тип | Анаэробный | Анаэробный | Аэробный |
Рис.21. Последовательность включение разных путей синтеза АТФ в начале легкой физической нагрузке
Как показано на рис.21 в первые секунды почти вся энергия обеспечивается аденозинтрифосфатом (АТФ); следующим источником служит креатинфосфат (КФ). Анаэробный процесс–гликолиз достигает максимума приблизительно через 45 с, тогда как за счет окислительных реакций мышца не может получить основную часть энергии ранее, чем через 2 мин.
Даже при легкой работе (рис.21 ) получение энергии происходит по анаэробному пути в течение короткого переходного периода после начала работы; в дальнейшем метаболизм осуществляется полностью за счет аэробных реакций (рис. 21 ) с использованием в качестве субстратов глюкозы, а также жирных кислот и глицерола. В отличие от этого во время тяжелой работы получение энергии частично обеспечивается анаэробными процессами. Кроме этих «узких мест» в процессах энергообеспечения и тех, что временно возникают сразу же после начала работы (рис. 21), при экстремальных нагрузках образуются «узкие места», связанные с активностью ферментов на различных этапах метаболизма.
Рис. 22. Потребление кислорода во время легкой динамической работы постоянной интенсивности
Пути ресинтеза АТФ и их вклад в энергообеспечение мышечной деятельности будут зависеть от интенсивности, длительности нагрузок и способности систем обеспечить энергетические процессы в мышце кислородом.
Как показано на рис. 22, способность нашего организма адекватно удовлетворять потребности мышц в кислороде далека от совершенства. Когда вы начинаете выполнять упражнение, система транспорта кислорода (дыхание и кровообращение) не сразу поставляет необходимое количество его активным мышцам. После начала работы требуется некоторое время для увеличения интенсивности аэробных энергетических процессов в мышце. Лишь через несколько минут достигается стабильный уровень потребления кислорода, при котором полностью функционируют аэробные процессы, однако потребность организма в кислороде резко повышается именно в момент начала выполнения упражнения. В этот период дефицит энергии компенсируется за счет легкодоступных анаэробных энергетических резервов (АТФ и креатин–фосфата). Количество макроэргических фосфатов невелико по сравнению с запасами гликогена, однако они незаменимы как в течение указанного периода, так и для обеспечения энергией при кратковременных перегрузках во время выполнения работы.
Поглощение кислорода и, следовательно, образование АТФ увеличиваются до того момента, пока не будет достигнуто устойчивое состояние, при котором образование АТФ адекватно его потреблению при работе мышц. Постоянный уровень потребления кислорода (образование АТФ) поддерживается, пока не изменится интенсивность работы. Между началом работы и увеличением потребления кислорода до какого-то постоянного уровня происходит задержка, называемая кислородным долгом или дефицитом. Дефицит кислорода - период времени между началом мышечной работы и ростом потребления кислорода до достаточного уровня.
На рис. 22 показано потребление кислорода до, во время и после лёгкой равномерной работы.Показаны дефицит кислорода и избыток потребления кислорода после физической нагрузки.
Что такое дефицит кислорода?
Период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня; то есть длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ. Потребность в АТФ возрастает мгновенно, однако для достижения необходимого уровня поглощения кислорода требуется некоторое время; в результате чего создается дефицит кислорода. Существуют различные точки зрения на механизмы обеспечения АТФ в этот период. Возможно, АТФ синтезируется в процессе анаэробного метаболизма или поступает из запасов клетки, возможно, просто измерение количества АТФ запаздывает по сравнению с его содержанием. При тренировках дефицит кислорода уменьшается, что свидетельствует о возможности более быстрого подключения систем, обеспечивающих быструю доставку кислорода при физической нагрузке.
Кислородный дефицит (дефицит кислорода) –
разность между кислородным запросом и кислородным приходом.
период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня.
длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ.
Митохондрии поглощают до 80-90% всего потребляемого клеткой кислорода. Все компоненты внутримитохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в определённой последовательности и образуют дыхательные цепи или цепи переноса электронов (ЦПЭ). Дыхательными цепями они называются в связи с тем, что очень часто внутримитохондриальное окисление называют внутритканевым дыханием. Расположение компонентов цепи переноса электронов во внутренней мембране митохондрий определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала.
В начале ЦПЭ находятся вещества с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом. Эти вещества легче отдают электроны. У каждого следующего компонента увеличивается величина окислительно - восстановительного потенциала. Вещества с более высоким положительным потенциалом легче принимают электроны. Таким образом, в результате перепада потенциалов в цепи происходит спонтанное, самопроизвольное перемещение электронов от начала цепи до её конца. В митохондриях принято различать короткую и длинную дыхательные цепи.
Длинная дыхательная цепь
Длинная дыхательная цепь включает в себя окисление, начинающееся в матриксе митохондрий при участии НАД (НАДФ) - дегидрогеназ. В длинной цепи окисляются изолимонная кислота, яблочная кислота, жирные кислоты, молочная кислота.
В матриксе происходит дегидрирование субстратов с переносом электронов и протонов на кофермент НАД (НАДФ).
НАД - зависимая дегидрогеназа выполняет роль коллектора электронов и протонов от окисляемых веществ. Образующаяся восстановленная форма НАД затем включается в длинную дыхательную цепь, в которой НАДН 2 окисляется при участии флавопротеидов по схеме:.
В последующем электроны с восстановленной формы флавопротеидов переносятся при участии железосеросодержащих белков (Fe-S комплексов) на следующий компонент: КоQ по схеме:
Н + из матрикса
ФМНН 2 (FeS) + KoQ ФМН+ КоQH 2
Н + в межмембранное пространство
КоQН 2 окисляется системой цитохромов, на которые с КоQ перебрасываются только электроны, а протоны выделяются в межмембранное пространство:
Под действием цитохромоксидазы на молекулу кислорода перебрасываются 4 электрона с образованием восстановленной формы кислорода 2О 2- , который в последующем взаимодействует с 4Н + с образованием Н 2 О.
В общем виде длинная дыхательная цепь имеет вид:
НАДН 2 ФП(FeS) KoQ цВ (FeS) цС 1 цС цА, А 3 О2
Короткая дыхательная цепь
В короткой дыхательной цепи окисляются субстраты, для которых первичным акцептором электронов является флавопротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Веществами, окисляющимися в короткой цепи, являются янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат.
Первая стадия окисления:
В последующем ФАДН 2 при участии флавопротеидов*(FeS*), окисляется КоQ:
Длинная и короткая дыхательные цепи включают в свой состав структурно-функциональные фрагменты, которые называются окислительными (дыхательными) комплексами. В длинной цепи выделяют 3 основных комплекса (I, III, IV), а в короткой 2 (III, IV).
I комплекс - НАДН - дегидрогеназный комплекс располагается между НАДН 2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS - белки
III комплекс - КоQН 2 -дегидрогеназный или (цитохром С - редуктазный комплекс) располагается между КоQ и ц С и включает в себя ц В, FeS - белки, цС 1
IV комплекс - цитохромоксидазный комплекс - окисляет цС и включает в себя цА, А 3
II дополнительный сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS*,
Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определёнными веществами - ингибиторами.
Ингибиторы первого комплекса - амитал, барбитураты, ротенон
Ингибитор второго комплекса - малонат
Ингибитор третьего комплекса - антимицин А
Ингибиторы четвертого комплекса - Н 2 S, цианиды, СО
Энергетический обмен
Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен - сбалансированное протекание реакций образования и реакций использования энергии.
Реакции, идущие с высвобождением энергии, называется экзоргиническими реакциями, а идущие с поглощением энергии - эндорганическими. Основным экзоргоническим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Окислительно-восстановительный потенциал начальных компонентов НАД окисленный /НАД восстановленный составляет -0,32 в. Окислительно-восстановительный потенциал конечных компонентов дыхательной цепи равен +0,82 в.
В результате разницы потенциалов в ЦПЭ происходит перемещение электронов с большой энергией. В процессе транспорта электронов высвобождается энергия. Та энергия, которая может быть использована на выполнение какой-то работы, - свободная энергия . Энергия, освобождающаяся в дыхательной цепи, рассчитывается по формуле:
ДF = -23*n*Де ,
где n - количество переносимых электронов на атом О 2 (2е),
Де - перепад окислительно-восстановительного потенциала между началом и концом ЦПЭ.
Де = 0,82 - (-0,32) = 1,14 в ДF = -23*2*1,14 = -52 ккал / моль
Высвободившаяся энергия может быть использована организмом на выполнение различных видов работы:
- · механической работы - сокращение мышц
- · химической работы - на синтез новых веществ
- · осмотической работы - перенос ионов против градиента концентрации
- · электрической работы - возникновение потенциалов в нервной системе
Все организмы в зависимости от вида энергии, которую они используют для выполнения работы, делятся на два вида: фототрофы - могут использовать энергию солнечного света, хемотрофы - 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 - дифосфоглицерат, ацилы жирных кислот, АТФ (ГТФ, ЦТФ, УТФ). Среди перечисленных макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекуле АТФ заключена энергия от 7,3 ккал / моль (в стандартных условиях) до 12 ккал / моль (в физиологических условиях). В состав АТФ входят аденин, рибоза, 3 остатка Н 3 РО 4 . АТФ синтезируется из АДФ и фосфорной кислоты с затратой энергии. Распад АТФ, наоборот, является экзэргоническим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи. Присоединение Н 3 РО 4 называется - фосфорилированием.
Окислительное фосфолирирование
Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 , за счёт энергии транспорта электронов по ЦПЭ называется окислительным фосфорилированием. Процессы окисления в дыхательной цепи и синтез АТФ тесно взаимосвязаны (сопряжены). При этом ведущим процессом является транспорт электронов, а сопутствующим является фосфорилирование. 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 комплексы). Если вещество окисляется в длинной дыхательной цепи, то максимально синтезируется три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования (Р/О). 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 при переносе двух электронов на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент Р/О равен 3, для короткой - 2.
Механизм окислительного фосфорилирования.
Впервые в тридцатые годы факт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком В.А. Энгельгардтом. Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфорилирования стала хемоосмотическая теория П. Митчела. Согласно ей, при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует энергию, освободившуюся при переносе электронов. Впоследствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано с непроницаемостью для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н + из матрикса в межмембранное пространство. Считается, что в матрикс поступает 6 - 10 Н + . В результате этого происходит закисление в межмембранном пространстве, возникает перепад рН (ДрН) и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий, возникает мембранный потенциал. Совокупность мембранного потенциала и ДрН и образуют протонный потенциал -ДмН +.
В трансформировании протонного потенциала в энергию АТФ участвует фермент АТФ-синтетаза , встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Это олигомерный фермент, включает два функциональных участка. Один из них формирует во внутренней мембране гидрофильный протонный канал, по которому Н + из межмембранного пространства по градиенту концентрации с огромной скоростью и энергией возвращается в матрикс. Второй участок - фосфорилирующий направлен в сторону матрикса. Поток Н + вызывает конформационные перестройки фосфорилирующей части фермента, что сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 .
Регуляция окислительного фосфолирирования
Регуляция процессов окисления и фосфорилирования осуществляется путем дыхательного контроля - изменение скорости окисления в дыхательной цепи при изменении соотношения концентраций АТФ и АДФ. При увеличении концентрации АТФ, скорость переноса электронов по дыхательной цепи замедляется, и, наоборот, при увеличении концентрации АДФ скорость переноса электронов увеличивается.
Дыхательный контроль приводит в соответствие процессы образования и использования энергии в организме. В физиологических условиях процессы окисления и процессы синтеза АТФ тесно сопряжены. Степень сопряжения увеличивает гормон инсулин , витамины Е, К .
В то же время в физиологических условиях и в патологических условиях возможно явление разобщения окисления и фосфорилирования.
Разобщение - частичное или полное прекращение синтеза АТФ при сохранении транспорта электронов по дыхательной цепи. Способствуют частичному разобщению высокие концентрации гормонов щитовидной железы, билирубина, свободных жирных кислот, динитрофенола.
Механизм действия разобщителей заключается в том, что, будучи жирорастворимыми веществами, они обеспечивают транспорт Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий из межмембранного пространства в матрикс, минуя протонную АТФ-азу. Это снижает протонный потенциал и, следовательно, синтез АТФ.
В физиологических условиях частичное разобщение выполняет важную терморегуляторную роль. В норме свободная энергия, равная 52 ккал / моль, распределяется следующим образом: 60% - используется на выполнение работы, 40% на согревание организма. При увеличении теплоотдачи организма при низкой внешней температуре происходит частичное разобщение окисления и фосфолирирования и в результате снижается доля свободной энергии использующейся на работу, но одновременно увеличивается энергия, расходуемая на поддержание температуры тела.
Таким образом, у хемотрофных организмов основным аккумулятором и основным источником энергии является АТФ. АТФ синтезируется из АДФ и расщепляется с образованием АДФ, поэтому в тканях постоянно осуществляется цикл АДФ - АТФ. Пути синтеза АТФ:
- 1. транспорт электронов по дыхательной цепи
- 2. субстратное фосфорилирование - окисление некоторых субстратов обязательно сопровождается синтезом АТФ
- 3. синтез АТФ из других макроэргов (за счёт креатинфосфата)
- 4. синтез АТФ из двух молекул АДФ
АТФ является энергетической «разменной валютой» клетки.
Особенности энергетического обмена у детей
Они определяются высокими энергозатратами в детском возрасте. Для детей скорость окислительных процессов в течение первого года в три раза выше, чем у взрослых, а в более позднем возрасте далее в два раза. Это проявляется в более высокой потребности в кислороде, калорической ценности рациона, скорости обмена АТФ, активности ферментов энергетического обмена. В то же время, у детей существует несовершенство регуляции энергетического обмена. Могут возникать диспропорции между процессами образования энергии и теплоотдачей. В детском возрасте органом термогенеза или теплообразования является бурая жировая ткань, в которой происходит нефосфолирирующее окисление (энергия окисления субстрата используется не на работу, а на образовании тепла).
Нарушение энергетического обмена.
Снижения энергетического обмена - гипоэргические состояния могут возникать при недостатке кислорода, питательных веществ, повреждении митохондрий, разобщении окислительного фосфорилирования под действием токсинов и микроорганизмов. Для лечения гипоэргических состояний используют цитохромы, КоQ, витамины. В последнее время изучаются и выявляются особенности гипоэргических состояний, которые обозначаются как митохондриальные болезни Их связывают с мутациями ДНК как митохондриальных, так и ядерных.
Не способны использовать для питания никакой другой субстрат, кроме углеводов.
Предварительно сложные углеводы расщепляются до простых, вплоть до образования глюкозы. Глюкоза является универсальным субстратом в процессе клеточного дыхания. Окисление глюкозы подразделяется на 3 этапа:
- окислительное декарбоксилирование и цикл Кребса ;
При этом гликолиз является общей фазой для аэробного и анаэробного дыхания.
Работа АТФ-синтазы
Процесс окислительного фосфорилирования осуществляется пятым комплексом дыхательной цепи митохондрий - Протонная АТФ-синтаза , состоящая из 9 субъединиц 5 типов:
- 3 субъединицы (γ,δ,ε) способствуют целостности АТФ-синтазы
- β субъединица является основной функциональной единицей. Она имеет 3 конформации:
- L-конформация - присоединяет АДФ и Фосфат (поступают в митохондрию из цитоплазмы с помощью специальных переносчиков)
- Т-конформация - к АДФ присоединяется фосфат и образуется АТФ
- О-конформация - АТФ отщепляется от β-субъединицы и переходит на α-субъединицу.
- Для того, чтобы субъединица изменила конформацию необходим протон водорода, так как конформация меняется 3 раза необходимо 3 протона водорода. Протоны перекачиваются из межмембранного пространства митохондрии под действием электрохимического потенциала.
- α-субъединица транспортирует АТФ к мембранному переносчику, который «выбрасывает» АТФ в цитоплазму. Взамен из цитоплазмы этот же переносчик транспортирует АДФ. На внутренней мембране митохондрий также находится переносчик Фосфата из цитоплазмы в митохондрию, но для его работы необходим протон водорода. Такие переносчики называются транслоказами.
Суммарный выход
Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо 3 протона.
Ингибиторы окислительного фосфорилирования
Ингибиторы блокируют V комплекс:
- Олигомицин - блокируют протонные каналы АТФ-синтазы.
- Атрактилозид , циклофиллин - блокируют транслоказы.
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.
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Йоруба (язык)
- Новосибирск Авиа
Смотреть что такое "" в других словарях:
окислительное фосфорилирование - см. фосфорилирование окислительное. окислительные брожения – см. брожения окислительные. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) … Словарь микробиологии
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - в биохимии образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной кислот за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ в живых клетках. См. также Фосфорилирование … Большой Энциклопедический словарь
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной к ты (АТФ) из адеиозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной к т за счёт энергии окисления молекул органич. веществ. Аккумулированная в АТФ энергия используется затем клеткой для… … Биологический энциклопедический словарь
окислительное фосфорилирование - — Тематики биотехнологии EN oxidative phosphorylation … Справочник технического переводчика
окислительное фосфорилирование - (биохим.), образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной кислот за счёт энергии, освобождающейся при окислении органических веществ в живых клетках. См. также Фосфорилирование. * * * ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ… … Энциклопедический словарь
окислительное фосфорилирование - oxidative phosphorylation окислительное фосфорилирование. Фосфорилирование основного биоэнергетического носителя (АДФ в АТФ), сопряженное с окислением низкомолекулярных соединений кислородом в дыхательной цепи; превращение АДФ в АТФ может… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорг. фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. в в в процессе клеточного дыхания. В общем виде О. ф. и его место в обмене в в можно представить схемой: АН 2… … Химическая энциклопедия
Окислительное фосфорилирование - осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот за счёт энергии окисления молекул органических веществ (субстратов). В результате О. ф. в клетках… … Большая советская энциклопедия
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - (биохим.), образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной к т за счёт энергии, освобождающейся при окислении органич. в в в живых клетках. См. также Фосфррилирование … Естествознание. Энциклопедический словарь
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - образование АТФ за счет энергии переноса электронов с субстратов (напр., промежуточных продуктов цикла Кребса) на кислород … Словарь ботанических терминов
Книги
- Основы биохимии Ленинджера. Учебное пособие. В 3-х томах. Том 2: Биоэнергетика и метаболизм , Кокс Майкл , Нельсон Дэвид , В учебном издании, написанном американскими учеными, которые получили признание как талантливые преподаватели университетского уровня, рассмотрены современные концепции биохимии в… Категория: Разное Издатель: Бином. Лаборатория знаний , Производитель:
Принадлежит ведущая роль в образовании энергии. В результате окисления углеводов, жиров и белков образуются восстановительные эквиваленты (электроны и атомы водорода), которые переносятся по дыхательной цепи. Высвобождающаяся при этом энергия переходит в энергию электрохимического градиента для протонов на внутренней мембране митохондрий, а та, в свою очередь, используется для синтеза АТФ . Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.
Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота , вовлекаются в дальнейшее окисление, происходящеее в митохондриях.
При этом используется энергия расщепления всех химических связей, что приводит к выделению CO2 , потреблению кислорода и синтезу большого количества АТФ. Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот и дыхательной цепью переноса электронов, где происходят фосфорилирование АДФ и синтез клеточного "топлива" - молекул АТФ. В цикле трикарбоновых кислот электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов ( НАД - никотинамид адениндинуклеотид), которые вовлекают их далее в цепь переноса электронов ( ЭТЦ - электронтранспортную цепь). Эти события внутри митохондрий происходят в их матриксе . Остальные реакции, связанные с дальнейшим переносом электронов и синтезом АТФ, связаны с внутренней митохондриальной мембраной , с кристами митохондрий. Освободившиеся в процессе окисления в цикле трикарбоновых кислот электроны, акцептированные на коферментах, переносятся затем в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), где они соединяются с молекулярным кислородом, образуя молекулы воды. Дыхательная цепь представляет собой ряд белковых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и является главной системой превращения энергии в митохондриях. Здесь происходят последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. За счет этой энергии в трех точках цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. Поэтому говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + Фн = АТФ), то есть происходит процесс окислительного фосфорилирования.
При переносе электронов в митохондриальной мембране каждый комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисления на перемещение протонов (положительных зарядов) через мембрану, из матрикса в межмембранное пространство, что приводит к образованию разности потенциалов на мембране : положительные заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные - со стороны матрикса митохондрий. При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, при этом превращает одну форму энергии в другую: образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с синтетическим - с фосфорилированием АДФ. Пока происходит окисление субстратов, пока происходит перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану - идет сопряженный с этим синтез АТФ, то есть окислительное фосфорилирование (