Атф синтетаза в митохондриях находится. Синтез атф регулируется

Расщепление органических веществ до более простых с выделением энергии и запасанием ее в АТФ - это энергетический обмен. Он включает три этапа - подготовительный, бескислородный и кислородный.

На подготовительном этапе энергия хоть и выделяется, но не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап протекает в цитоплазме и приводит к расщеплению каждой молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. При этом выделяется мало энергии, поэтому синтезируется только две молекулы АТФ.

Кислородный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды, выделяется много энергии и синтезируется около 36 молекул АТФ.

Биосинтез белка и синтез жиров относятся к пластическому обмену, когда из более простых соединений синтезируются более сложные. Такие процессы идут не с выделением энергии, а с ее потреблением. АТФ здесь играет роль поставщика энергии, распадаясь до АДФ и фосфорной кислоты.

В биологии аббревиатурой АТФ обозначают органическое вещество (мономер) аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфорную кислоту). По химическому строению оно представляет собой нуклеозидтрифосфат.

В состав АТФ входят рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты . Фосфаты последовательно связаны между собой. При этом два последних так называемой макроэргической связью, разрыв которой обеспечивает клетку большим количеством энергии.

Таким образом, АТФ выполняет в клетке энергетическую функцию .

Большая часть молекул АТФ образуется в митохондриях в реакциях клеточного дыхания. В клетках постоянно идет синтез и распад большого количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.

Отщепление фосфатных групп в основном происходит при участии фермента АТФ-азы и является реакцией гидролиза (присоединения воды):

АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E,

где E - это выделяющаяся энергия, идущая на различные клеточные процессы (синтез других органических веществ, их транспорт, движение органоидов и клетки, терморегуляцию и др.).

По разным источникам количество выделяющейся энергии составляет от 30 до 60 кДж/моль.

АДФ - это аденозиндифосфат, который содержит уже два остатка фосфорной кислоты.

Чаще всего к нему потом снова присоединяется фосфат с образованием АТФ:

АДФ + H3PO4 = АТФ + H2O — E.

Эта реакция идет с поглощением энергии, накопление которой происходит в результате рада ферментативных реакций и процессов переноса ионов (в основном в матриксе и на внутренней мембране митохондрий). В конечном итоге энергия аккумулируется в присоединяемой к АДФ фосфатной группе.

Однако от АДФ может отщепиться еще один фосфат, связанный макроэргической связью, при это образуется АМФ (аденозинмонофосфата).

АМФ входит в состав РНК. Отсюда еще одна функция аденозинтрифосфорной кислоты – она служит источником сырья для синтеза ряда органических соединений.

Таким образом, особенности строения АТФ, функциональное использование только его в качестве источника энергии в метаболических процессах, дает возможность клеткам иметь единую и универсальную систему по приему химической энергии.

Связанная статья:Этапы энергетического обмена

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы. АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

2.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению.

В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций. Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953).

Цикл имеет еще два названия:

II.

Данный процесс является реакцией дегидратации, катализируется ферментом аконитазой.

Данный процесс является реакцией гидратации, катализируется ферментом аконитазой.

IV.

Реакции 4 и 5 представляют собой окислительное декарбоксилирование, катализируются изоцитратдегидрогеназой, промежуточным продуктом реакций является оксалосукцинат.

Эта реакция также является реакцией окислительного декарбоксилирования, т.е. это вторая окислительно-восстановительная реакция:

α-Оксоглутарат + НАД + КоА Сукцинил-КоА + СО2 + НАДН

VII.

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

X. Четвертая окислительно-восстановительная реакция:

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления). Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания.

В дыхательной цепи происходит образование АТФ. Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем. Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Цитохромы а и а3 образуют комплекс цитохромоксидазу, который является последним звеном дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза содержит помимо железа медь с переменной валентностью. При транспортировке ē от цитохрома а3 к молекулярному О2 происходит процесс

Предыдущая9101112131415161718192021222324Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать.

Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст?

Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Пути синтеза АТФ в организме

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы.

АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Субстратное фосфорилирование – непосредственная передача фосфорильной группы с макроэргической связью АДФ для синтеза АТФ.

Примеры субстратного фосфорилирования:

1. Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

Взаимодействие промежуточного продукта цикла Кребса – макроэргического сукцинил-Ко-А – с АДФ с образованием одной молекулы АТФ.

Рассмотрим три основных этапа освобождения энергии и синтеза АТФ в организме.

Первый этап (подготовительный) включает переваривание и всасывание.

На этом этапе освобождается 0,1% энергии пищевых соединений.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению. В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций.

Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953). Цикл имеет еще два названия:

— цикл трикарбоновых кислот, так как он включает реакции превращения трикарбоновых кислот (кислот, содержащих три карбоксильные группы);

— цикл лимонной кислоты, так как первой реакцией цикла является образование лимонной кислоты.

Цикл Кребса включает 10 реакций, четыре из которых окислительно-восстановительные.

В ходе реакций освобождается 70% энергии.

Чрезвычайно велика биологическая роль этого цикла, поскольку это общий конечный пункт окислительного распада всех основных пищевых продуктов.

Это главный механизм окисления в клетке, образно его называют метаболическим «котлом». В процессе окисления топливных молекул (углеводов, аминокислот, жирных кислот происходит обеспечение организма энергией в виде АТФ. Топливные молекулы вступают в цикл Кребса после превращения в ацетил-Ко-А.

Кроме того, цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза. Этот цикл происходит в матриксе митохондрий.

Рассмотрим реакции цикла Кребса:

Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента оксалоацетата и двухуглеродного компонента ацетил-Ко-А.

Реакция катализируется цитратсинтазой и представляет собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом. Промежуточным продуктом является цитрил-Ко-А, который гидролизуется на цитрат и КоА:

Это первая окислительно-восстановительная реакция.

Реакция катализируется α-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех ферментов:

В сукциниле имеется связь, богатая энергией.

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ):

Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА

Фосфорильная группа ГТФ легко переносится на АДФ с образованием АТФ:

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

Это единственная реакция цикла, являющаяся реакцией субстратного фосфорилирования.

Это третья окислительно-восстановительная реакция:

В цикле Кребса образуются углекислый газ, протоны, электроны.

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления).

Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания. В дыхательной цепи происходит образование АТФ.

Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем.

Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Итоговая реакция, которая происходит на цитохромоксидазе, имеет вид

Энергетический баланс цикла Кребса и дыхательной цепи – 24 молекулы АТФ.

Схема цикла Кребса

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) .

АТФ относят к мононуклеотидам. Она состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1,
АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2,
АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,

где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ - аценозиндифосфорная кислота; АМФ - аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования - присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ).

Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).

Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).

Молекула АТФ служит универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Анатомия и физиология центральной нервной системы

4. Обмен жиров, их биологическая роль, теплоемкость, участие в обмене веществ.

Энергетическая стоимость жиров. Жировые отложения

Жиры — органические соединения, входящие в состав животных и растительных тканей и состоящие в основном из триглицеридов (сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот). Помимо триглицеридов, в состав жиров входят вещества…

Влияние органических удобрений на микробиоту почвы

2.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

Химическая деятельность микроорганизмов проявляется в непрерывном круговороте азота, фосфора, серы, углерода и других веществ. При самом активном, широком участии микроорганизмов в природе, главным образом в почве и гидросфере…

Гормон окситоцин

1.

Химическая структура и синтез окситоцина

Окситоцин не является собственным гормоном нейрогипофиза, а лишь накапливается в нем, перемещаясь по аксонам гипоталамо- гипофизарного пучка из ядер переднего гипоталамуса — супраоптического и паравентрикулярного…

3.

Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Естествознание на молекулярном уровне

3. Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Зависимость уровня тиреотропного и тиреоидных гормонов от заболеваний щитовидной железы

2.5 Влияние веществ на синтез тиреоидных гормонов

В настоящее время считается, что влияния на синтез различных веществ имеет смешанный характер.

Этот тезис доказывается в статье Р.В.

Кубасова, Е.Д…

Микроорганизмы в круговороте веществ в природе

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения…

Микроорганизмы, выделенные из различных природных жиров

1.1 Структура жировых веществ

Жиры являются веществами нелетучими и при нагревании до 250-300°С разлагаются с образованием летучих веществ, выделяющихся в виде паров, газов и дыма.

Жиры плохие проводники тепла…

Глава 4. Печень, ее роль в обмене веществ

Обмен белков. Обмен жиров. Обмен углеводов. Печень, ее роль в обмене веществ

4.3 Роль печени в обмене веществ

Рассматривая обмен белков, жиров и углеводов мы не раз затрагивали печень.

Печень является важнейшим органом, осуществляющим синтез белков. В ней образуется весь альбумин крови, основная масса факторов свертывания…

Основные принципы питания

7. Роль минеральных веществ в питании человека

В зависимости от количества минеральных веществ в организме человека и в пищевых продуктах их подразделяют на макро- и микроэлементы.

К первым относятся кальций, калий, магний, натрий, фосфор, хлор, сера…

Роль микроорганизмов в круговороте химических элементов в природе

4. Роль микроорганизмов в круговороте серы в природе, их значение превращения веществ и практическое использование

Круговорот серы осуществляется в результате жизнедеятельности бактерий, окисляющих или восстанавливающих ее.

Процессы восстановления серы происходят несколькими путями. Под влиянием гнилостных бактерий — клостридий…

4.2 Каротиноиды. Их структура, функции и физиологическая роль

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета — присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови…

Фотосинтез как основа энергетики биосферы

4.3 Фикобилины.

Их структура, функции и физиологическая роль

Синезеленые водоросли (цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины…

Энергетический метаболизм микроорганизмов

1.

Общие понятия об обмене веществ и энергии

Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее химические связи…

Атомы водорода, снятые с субстратов в цикле Кребса, в результате β -окисления ВЖК, а также пируватдегидрогеназной, глутаматдегидрогеназной и некоторых других реакций, поступают в дыхательную цепь ферментов (рис. 23), которая иначе называетсяэлектронотранспортной цепью .

Процесс переноса протонов и электронов (атом водорода = протон водорода (Н +) + электрон (e)) начинается с передачи атомов водорода с восстановленной формы НАД или ФАД.

Рис. 23. Схема электронотранспортной цепи

Восстановленный НАД отдает водороды на флавопротеин, ко-ферментом которого является ФМН, а восстановленный ФАД всегда передает водороды на кофермент Q. После кофермента Q по системе цитохромов осуществляется транспорт только электронов; роль конечного - терминального - акцептора электронов выполняет кислород. Перед тем как подробнее изучить работу электронотранспортной цепи, познакомимся с химическим строением отдельных ее компонентов.

Как отмечалось ранее, все компоненты электронотранспортной цепи являются ферментами, катализирующими окислительно-восстановительные процессы.

Флавопротеин является первым ферментом, акцептирующим протоны и электроны от первичной дегидрогеназы - фермента, снимающего атомы водорода непосредственно с субстрата. Кофер-ментом флавопротеина является ФМН. Со структурой и окислительно-восстановительными реакциями ФМН мы познакомились ранее (см. главу 4). Этот фермент тесно связан с железосерными белками.

Железосерные белки имеют небольшую молекулярную массу (порядка 10 кДа). Они содержат негеминовое железо, связанное с атомами серы остатков цистеина. На рис. 24 представлен лишь один из возможных вариантов комплекса атома железа с атомами серы, существующих в белках, содержащих негеминовое железо.

Рис. 24. Схема образования комплекса атома железа с атомами серы в железосерных белках

Эти белки участвуют в переносе протонов и электронов и, как предполагают, на нескольких стадиях. Однако до сих пор не ясен механизм, по которому железосерные белки претерпевают обратимое окисление-восстановление.

Кофермент Q или убихинон растворен в липидной части внутренней мембраны митохондрий. Убихинон может диффундировать как поперек, так и вдоль мембраны. Он является единственным, не связанным с белками компонентом цепи дыхания; по этой причине его нельзя отнести к ферментам. Кофермент Q принимает два протона водорода и два электрона от железосерных белков, превращаясь в гидрохинон:

Цитохромы представляют собой гемопротеины. В настоящее время известно около 30 различных цитохромов. Все они, в зависимости от своей способности поглощать свет, разделяются на классы, обозначаемые строчными буквами - а, b, с и т.д. Внутри каждого класса выделяют отдельные виды цитохромов, обозначая их цифровыми индексами - b , b 1 , b 2 и т.д.

Цитохромы отличаются друг от друга структурой тема, структурой полипептидной цепи и способом прикрепления тема к ней. На рисунке 25 показана структура тема, входящего в состав всех цитохромов b.

Цитохромы окрашены в красно-коричневый цвет; окраска обусловлена наличием катиона металла. Цитохромы классов b и с содержат в своем составе катионы железа, а цитохромы класса а - катионы меди.

Цитохромы а и a 3 образуют комплекс, который называют цито-хромоксидазой. Уникальная особенность комплекса а·а 3 заключается в том, что эта система цитохромов передает электроны непосредственно на кислород.

Перенос электронов по цепи цитохромов включает обратимые реакции:

Fe 3+ + e ----→ ←---- Fe 2+ и Сu 2+ + e ----→ ←---- Сu +

Познакомившись с характеристикой компонентов электронотранспортной цепи и с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими в ней, перейдем к рассмотрению процесса, который является основным при аккумуляции энергии в форме АТФ.

Рис. 25. Структура тема цитохрома b

Механизм сопряжения дыхания с фосфорилированием АДФ. Транспорт протонов и электронов от восстановленного НАД к молекулярному кислороду представляет собой экзергонический процесс:

НАДН + Н + + ½О 2 → НАД + + Н 2 О + энергия

Если еще упростить запись этого процесса, то получим уравнение реакции горения водорода в кислороде, которое известно всем со школьной скамьи:

Н 2 + ½О 2 → Н 2 О + энергия

Разница состоит лишь в том, что при реакции горения энергия освобождается сразу полностью, а в цепи дыхания, благодаря тому что она разбита на несколько окислительно-восстановительных реакций, происходит поэтапное освобождение энергии. Эта энергия аккумулируется в фосфатных связях АТФ и используется для жизнедеятельности клеток.

Первым результатом работы электронотранспортной цепи является образование эндогенной воды, в молекуле которой атомы водорода являются водородами, снятыми с субстратов соответствующими дегидрогеназами, а атом кислорода - терминальным акцептором электронов (см. рис. 23). Приняв на себя 2 электрона, он превращается в реакционноспособный анион (О 2-), который сразу же взаимодействует с протонами водорода, "выброшенными" коферментом Q. Образование эндогенной воды происходит в матриксе митохондрий.

Механизм сопряжения дыхания с фосфорилированием АДФ был разработан английским биохимиком П. Митчеллом, гипотеза которого получила название протондвижущей или хемиосмотической. В нашей стране гипотеза П. Митчелла была развита в работах В.П. Скулачева.

Согласно хемиосмотической гипотезе энергия переноса протонов и электронов вдоль дыхательной цепи первоначально сосредоточивается в виде протонного потенциала, создающегося движением через мембрану заряженных протонов водорода. Транспорт протонов обратно через мембрану сопряжен с фосфорилированием АДФ, которое осуществляется протонзависимой АТФсинтазой (Н + = АТФаза).

Поскольку движущей силой синтеза АТФ является протонный потенциал, подробнее рассмотрим его образование.

Наряду с переносом протонов и электронов по цепи дыхания осуществляется дополнительный выброс протонов водорода из матрикса в межмембранное пространство. Протоны водорода возникают при диссоциации воды в матриксе:

Н 2 O -→ ←- H + + OH -

Перенос протонов водорода через внутреннюю мембрану митохондрий, как предполагают, осуществляется протонными транслоказами. В результате такого переноса мембрана со стороны матрикса заряжается отрицательно (за счет оставшихся отрицательно заряженных гидроксилов), а со стороны межмембранного пространства - положительно (за счет перекачки положительно заряженных протонов водорода). В результате такого распределения зарядов возникает электрический потенциал, обозначаемый Δψ (дельта пси). А за счет возникшей разницы в концентрации протонов водорода по обе стороны внутренней мембраны митохондрий создается химический градиент протонов, обозначаемый АрН. Оба возникших потенциала создают на мембране электрохимический трансмембранный градиент протонов (ΔμН +), следовательно ΔμН + = Δψ + ΔрН

Синтез АТФ. Мембрана, на которой создается электрохимический трансмембранный градиент протонов называетсяэнергизированной . Энергизированная мембрана стремится разрядиться за счет перекачки протонов из межмембранного пространства обратно в матрикс (рис. 26). Этот процесс осуществляется с помощью про-тонзависимой АТФазы.

Рис. 26. Синтез АТФ, сопряженный с электронотранспортной цепью

Н + -АТФаза встроена во внутреннюю мембрану митохондрий. Она похожа на гриб и состоит из двух белковых факторов F 0 и F 1 (рис. 27). Фактор F 0 пронизывает всю толщу внутренней мембраны митохондрий. Шаровидная часть, выступающая в матрикс митохондрий, - это фактор F 1 . Строение, свойства и функции этих белковых факторов совершенно разные.

Фактор F 0 состоит из трех гидрофобных полипептидных цепей разной структуры. Этот фактор выполняет функцию протонпроводящего канала, по которому протоны водорода попадают к фактору F 1 .

Фактор F 1 является водорастворимой частью Н + -АТФазы и представляет собой белковый комплекс, состоящий из девяти субъединиц пяти разных типов. Одна эпимолекула фактора F 1 содержит 3 α , 3β и по одной субъединице γ , δ , ε (α 3 β 3 γδε ). Фактор F 1 осуществляет синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Центры связывания АДФ и АТФ находятся в субъединицах α и β каждая из которых может удерживать по одной молекуле АДФ или АТФ. Согласно данным рентгеноструктурного анализа центры связывания АДФ и АТФ находятся на стыке субъединиц α и β . Субъединица β выполняет каталитическую функцию в синтезе АТФ (рис. 27).

Рис. 27. Строение протонзависимой АТФазы

Существует несколько концепций, объясняющих механизм образования АТФ при посредстве Н + -АТФазы. Все концепции рассматривают протоны водорода, поступающие по протонпрово-дящему каналу к фактору F 1 , в качестве активаторов различных процессов, приводящих к образованию АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Работа дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль .

– это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (т.е. на величину дыхания). В свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ / АДФ , количественная сумма которых в клетке практически постоянна ([АТФ] + [АДФ] = const). Реакции катаболизма направлены на поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого АДФ.

Возрастание протонного градиента возникает при снижении количества АДФ и накоплении АТФ (состояние покоя ), т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н + не проникают в матрикс митохондрии . При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение электронов по цепи замедляется . Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН 2 на I и II комплексах, ингибирование ферментов ЦТК при участии НАДН и замедление катаболизма в клетке.

Зависимость электрохимического градиента от скорости движения электронов

Снижение протонного градиента возникает при исчерпании резервов АТФ и избытке АДФ, т.е. при работе клетки . В этом случае активно работает АТФ-синтаза и через канал F о проходят в матрикс ионы Н + . При этом протонный градиент, естественно, снижается, поток электронов по цепи возрастает, и в результате повышается выкачивание ионов Н + в межмембранное пространство и снова их быстрое "проваливание" через АТФ-синтазу внутрь митохондрий с синтезом АТФ. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН 2 (как источников электронов) и снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс. Как итог – активируются реакции катаболизма углеводов и жиров.

Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельности выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических превращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождающихся постоянным ее обновлением, и называется обменом веществ.

Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется ассимиляцией - это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции, т.е. процессы разложения и окисления органических веществ, в результате которых клетка получает энергию, - это энергетический обмен. Конструктивный и энергетический обмен составляют единое целое.

В процессе конструктивного обмена клетка из довольно ограниченного числа низкомолекулярных соединений синтезирует биополимеры своего тела. Биосинтетические реакции протекают при участии разнообразных ферментов и требуют затрат энергии.

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8-10 кДж - эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия - 25-40 кДж - это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III). Соединение аденина и рибозы называется аденозином. Пирофосфатные группы имеют макроэргические связи, обозначенные значком ~. Разложение одной молекулы АТФ с участием воды сопровождается отщеплением одной молекулы фосфорной кислоты и выделением свободной энергии, которая равна 33-42 кДж/моль. Все реакции с участием АТФ регулируются ферментными системами.

Рис.1. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ

Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.

Синтез АТФ происходит таким образом, что два иона Н + отщепляются от АДФ и фосфата (Р) с правой стороны мембраны, компенсируя потерю двух Н + при восстановлении вещества В. Один из кислородных атомов фосфата переносится на другую сторону мембраны и, присоединив два иона Н + из левого отсека, образует Н 2 О. Остаток фосфорила присоединяется к АДФ, образуя АТФ.

Рис.2. Схема окисления и синтеза АТФ в митохондриальных мембранах

В клетках организмов изучено много биосинтетических реакций, использующих энергию, заключенную в АТФ, в ходе которых происходят процессы карбоксилирования и декарбоксилирования, синтеза амидных связей, образования макроэргических соединений, способных переносить энергию от АТФ к анаболическим реакциям синтеза веществ. Эти реакции играют важную роль в процессах обмена веществ растительных организмов.

С участием АТФ и других макроэргических нуклеозидполифосфатов (ГТФ, ЦТФ, УГФ) может происходить активирование молекул моносахаридов, аминокислот, азотистых оснований, ацилглицеринов путем синтеза активных промежуточных соединений, являющихся производными нуклеотидов. Так, например, в процессе синтеза крахмала с участием фермента АДФ-глюкозо-пирофосфорилазы образуется активированная форма глюкозы - аденозиндифосфатглюкоза, которая легко становится донором глюкозных остатков при формировании структуры молекул этого полисахарида.

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.

У большинства живых организмов - аэробов, живущих в кислородной среде, - в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный, в процессе которых органические вещества распадаются до неор­ганических соединений. У анаэробов, обитающих в среде, лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.

Первый этап - подготовительный - заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые (белков - на аминокислоты, жиров - на глицерин и жирные кислоты, полисахаридов - на моносахариды, нуклеиновых кислот - на нуклеотиды). Распад органических субстратов пищи осуществляется на разных уровнях желудочно-кишечного тракта многоклеточных организмов. Внутриклеточное расщепление органических веществ происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рас­сеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергнуться дальнейшему расщеплению или использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап - неполное окисление (бескислородный) - осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических субстратов. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное расщепление глюкозы называют гликолизом.

Гликолиз - многоступенчатый ферментативный процесс прев­ращения шестиуглеродной глюкозы в две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (пирувата, ПВК) С3Н4О3. В ходе реакций гликолиза выделяется большое количество энергии - 200 кДж/моль. Часть этой энергии (60%) рассеивается в виде теплоты, остальное (40%) используется на синтез АТФ.

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы ПВК, АТФ и воды, а также атомы водорода, которые запасаются клеткой в форме НАД Н, т.е. в составе специфического переносчика - никотинамидадениндинуклеотида. Дальнейшая судьба продуктов гликолиза - пирувата и водорода в форме НАД Н - может складываться по-разному. У дрожжей или в клетках растений при недостатке кислорода происходит спиртовое брожение - ПВК восстанавливается до этилового спирта:

В клетках животных, испытывающих временный недостаток кислорода, например в мышечных клетках человека при чрезмер­ной физической нагрузке, а также у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, при котором пируват восстанавливается до молочной кислоты. При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.

Третий этап - полное окисление (дыхание) - протекает при обязательном участии кислорода. Аэробное дыхание представляет собой цепь реакций, контролируемых ферментами внутренней мембраны и матрикса митохондрии. Попав в мито­хондрию, ПВК взаимодействует с ферментами матрикса и образует: диоксид углерода, который выводится из клетки; атомы водорода, которые в составе переносчиков направляются к внутренней мембране; ацетилкофермент А (ацетил-КоА), который вовлекается в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются две молекулы СО2, молекула АТФ и четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики - НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Суммарную реакцию гликолиза и цикла Кребса можно представить в следующем виде:

Итак, в результате бескислородного этапа диссимиляции и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до неорганического диоксида углерода (СО2), а высвободившаяся при этом энергия частично расходуется на синтез АТФ, но в основном сберегается в нагруженных электронами переносчиках НАД Н2 и ФАД Н2. Белки-переносчики транспортируют атомы водорода к внутренней мембране митохондрий, где передают их по цепи встроенных в мембрану белков. Транспорт частиц по цепи переноса осуществ­ляется таким образом, что протоны остаются на внешней стороне мембраны и накапливаются в межмембранном пространстве, превращая его в Н+-резервуар, а электроны передаются на внутреннюю поверхность внутренней митохондриальной мембра­ны, где соединяются в конечном итоге с кислородом.

В результате деятельности ферментов цепи переноса электро­нов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно, а снаружи - положительно (за счет Н), так что между ее поверхностями создается разность потенциалов. Известно, что во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ-синтетазы, обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня (200 мВ), положительно заряженные частицы Н+ силой электрического поля начинают про­талкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду.

Нормальное протекание метаболических реакций на молекулярном уровне обусловлено гармоничным сочетанием процессов катаболизма и анаболизма. При нарушении катаболических процессов прежде всего возникают энергетические трудности, нарушаются регенерация АТФ, а также поступление необходимых для биосинтетических процессов исходных субстратов анаболизма. В свою очередь, первичное или связанное с изменениями процессов катаболизма повреждение анаболических процессов ведет к нарушению воспроизведения функционально важных соединений - ферментов, гормонов и др.

Нарушение различных звеньев метаболических цепей неравнозначно по своим последствиям. Наиболее существенные, глубокие патологические изменения катаболизма происходят при повреждении системы биологического окисления при блокаде ферментов тканевого дыхания, гипоксии и др. или повреждении механизмов сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования (например, разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования при тиреотоксикозе). В этих случаях клетки лишаются основного источника энергии, почти все окислительные реакции катаболизма блокируются или теряют способность аккумулировать освобождающуюся энергию в молекулах АТФ. При ингибировании реакций цикла трикарбоновых кислот выработка энергии в процессе катаболизма сокращается примерно на две трети.