Окислительное фосфолирирование

Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н₃РО₄, 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 Н₃РО₄ 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 т

еория 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 (ΔрН) и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий, возникает мембранный потенциал. Совокупность мембранного потенциала и ΔрН и образуют протонный потенциал –ΔμН^+.

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 Н₃РО₄.

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).