Хемиосмотическая теория Митчела

— учение о механизме преобразования энергии в биологических мембранах. Разработана П. Митчелом в 1961-1966 гг. 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).

ККооээффффииццииееннтт PP//OO

Энергетическую ценность и выгодность окисления вещества можно подсчитать.

Количество запасенной энергии при окислении того или иного соединения

характеризует количество АТФ, а эффективность использования энергии вещества и ее

захвата – коэффициент P/O.

Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного

в молекулу АТФ АТФ-синтазой к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу

Н2О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.

Экспериментально установлено, что при окислении веществ с участием НАД-зависимых

дегидрогеназ, соотношение количества включенного в АТФ фосфата относится к

количеству использованных атомов кислорода как 3 к 1, т.е. коэффициент P/O равен

трем. Аналогично для ФАД-зависимых дегидрогеназ коэффициент P/O равен двум.

Расчет энергетической ценности и

коэффициента Р/О

При расчете энергетической ценности, т.е. количества АТФ, образующейся при

окислении вещества, и коэффициента Р/О необходимо представлять себе весь путь

этого вещества до полного окисления его углеродных атомов в СО2. При этом

необходимо учитывать число атомов углерода в молекуле.

Для расчета Р/О при окислении какой-либо молекулы необходимо учитывать

следующее:

восстановленный эквивалент (молекула НАДН или ФАДН2

) передает в цепь

переноса электронов по 2 электрона.

для восстановления кислорода в воду необходима 1 пара электронов.

при прохождении пары электронов через всю дыхательную цепь (т.е. через I, III, IV

комплексы) выкачивается столько ионов Н

+

, сколько необходимо для синтеза 3

молекул АТФ или, по-другому, в состав АТФ включается три атома неорганического

фосфата.

при прохождении пары электронов через III и IV комплексы дыхательных

ферментов ионов Н

+ выкачивается столько, сколько необходимо для синтеза 2

молекул АТФ или, по-другому, в состав АТФ включается два атома неорганического

фосфата.

Дыхательный контроль

Решающим фактором поддержания окислительных реакций в условиях покоя на низком уровне является низкая потребность в энергии. Как следствие этого, адениловые нуклеотиды клетки представлены главным образом АТФ, тогда как концентрации АМФ и АДФ очень низки. В качестве главного регулирующего соединения функционирует АДФ, поскольку существует непосредственное сопряжение потока электронов и фосфорилирования АДФ в дыхательной цепи.

В организме имеется система превращения энергии, которая сопрягает процессы энергоотдачи, сопровождающей поток электронов и запасания энергии путем образования АТФ, так же совершенно, как если бы на каждом этапе сопряжения имелась система взаимодействующих шестерен. Таким образом, несмотря на наличие избытка субстрата (НАД-Н, сукцинат и т. д.), а также избытка кислорода для окислительных реакций благодаря тесному сопряжению с фосфорилированием, поток электронов не будет проходить через пункты сопряжения, если отсутствуют АДФ и неорганический фосфат, необходимые для удаления энергии, которая накапливается в звеньях, обеспечивающих ее превращение. В норме неорганический фосфат имеется в избытке, так что лимитирующим фактором становится концентрация АДФ. Следует отметить, что, хотя поток электронов мог бы проходить через те звенья дыхательной цепи, где фосфорилирования не происходит, в отсутствие АДФ блокирование потока электронов в пунктах сопряжения 1, 2 и 3 приводит к блокированию всего процесса дыхания в целом с такой же неумолимостью, как это происходит в присутствии барбамила, антимицина А или цианида. Когда клетка переходит от состояния покоя к активному функционированию (например, механическое сокращение мышцы, возникновение импульса в нерве, активный транспорт в почках, стимуляция биосинтеза), она начинает использовать запасы креатин-фосфата и АТФ, опустошая резервы первого и превращая последний в неорганический фосфат и АДФ. Теперь электроны получают возможность проходить через пункты сопряжения с максимальной скоростью, поскольку наличие АДФ в распоряжении системы фосфорилирования устраняет «обратное давление» энергии в системе ее переноса, позволяя «шестерням» проворачиваться свободно. Столь интенсивное дыхание будет продолжаться до тех пор, пока существует потребность в энергии для выполнения работы; когда же потребность в энергии удовлетворена и АДФ вновь полностью превращен в АТФ, опять устанавливается дыхательный контроль, обеспечивающий состояние покоя.