6.2. Биоэнергетика

Одна из основных функций катаболизма - извлечение химической энергии из содержащихся в пище веществ и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций.

Энергия окисляющихся веществ используется для синтеза АТФ из АДФ.

Если энергия, освобождающаяся при реакции гидролиза вещества, превышает 30 кДж/моль, то гидролизуемую связь называют высокоэнергетической (макроэргической). Примеры макроэргических соединений – ацетилКоА, креатинфосфат, фосфоенолпируват и др. Однако АТФ – универсальный источник энергии в организме. Энергия гидролиза АТФ в среднем 50 кДж/моль. Макроэргическая связь в формуле обозначается знаком «  » (тильда).

АТФ

Один из путей синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование - образование АТФ за счет энергии другого макроэргического соединения. Такой тип энергетического обеспечения клетки может происходить в бескислородных условиях, например, распад глюкозы до молочной кислоты:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₆О₃ + 65 кДж/моль.

Одной из реакций данного многостадийного процесса является реакция субстратного фосфорилирования – синтеза АТФ за счет макроэргической связи 1,3-дифосфоглицерата:

Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов.

Тканевое дыхание - совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, сопровождающихся потреблением молекулярного кислорода и приводящих к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии.

Впервые сущность дыхания объяснил Антуан Лоран Лавуазье (1777), обративший внимание на сходство между горением органических веществ вне организма и дыханием животных. В организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ.

Рассмотрим реакцию окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 2780 кДж/моль.

В организме этот процесс протекает многостадийно. Углерод превращается в диоксид углерода за счет кислорода самого окисляемого вещества и кислорода воды. В реакции участвуют акцепторы водорода, которые переносят его на кислород. Кислород используется для синтеза воды за счет водорода окисляемых субстратов.

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 12А = 6СО₂ + 12АН₂

12АН₂ + 6О₂ = 12Н₂О + 12А

______________________________________

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

Таким же способом окисляются и другие вещества. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей - кожа, мышечная ткань (в покое).

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, происходящий благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в процессе клеточного дыхания, т.е. сопряжение дыхания и фосфорилирования. В упрощенном виде сущность процесса передает следующее уравнение:

АДФ + Н₃РО₄ + энергия  АТФ + Н₂О.

6.3. Организация и функционирование дыхательной цепи

Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т. е. атомов водорода) от органических веществ на кислород. В этом процессе участвует ряд промежуточных переносчиков, образующих дыхательную цепь.

Дыхательная цепь (электронотранспортная цепь, цепь переноса электронов) - система трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.

При взаимодействии НАД⁺ и НАДФ⁺ с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода.

В молекулу НАД⁺ (НАДФ⁺) включаются 2 электрона и один протон, второй протон остается в среде:

Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН):

Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий.

Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов (рис. 33).

Рис. 33. Митохондриальная дыхательная цепь

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) включает ФМН и железосерный белок FeS (негемовое железо). Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе. Комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на кофермент Q (KоQ) и перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

KoQ (убихинон) - производное бензохинона. Это некрупная липофильная молекула. Перемещаясь в липидном слое мембраны, убихинон обеспечивает передачу электронов между комплексами I - III и II - III.

Комплекс II (сукцинат-дегидрогеназа) включает ФАД и железосерный белок. Обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счет окисления сукцината.

Комплекс III (QН₂-дегидрогеназа) включает цитохромы b и с₁ и железосерный белок. Цитохромы - гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Комплекс III переносит электроны с убихинона на цитохром с и перекачивает 2 протона в межмембранное пространство.

Комплекс IV (цитохром c оксидаза) состоит из цитохромов a и a₃, которые, помимо гема, содержат ионы меди. Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O₂ и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.

Цитохром а₃ - терминальный участок дыхательной цепи (цитохромоксидаза): происходит окисление цитохрома с и образование воды. В организме человека митохондриальная дыхательная цепь образует 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).

Компоненты дыхательной цепи митохондрий расположены в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит по градиенту окислительно-восстановительного потенциала и является источником энергии для переноса протонов. Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном направлении - с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент протонная АТФ-синтаза (рис. 34).

АТФ-синтаза состоит из двух частей – статора и ротора.

Статор состоит из трех α-субъединиц и трех β-субъединиц – они участвуют непосредственно в синтезе АТФ из АДФ и фосфата. К ним примыкает δ-субъединица, и все вместе они образуют F1-субъединицу.

Ротор состоит из - и -субъединиц.

Статор держится в мембране, а ротор вращается за счет энергии протонов.

В статоре имеется протонный канал (F0). Он состоит из двух полуканалов, которые смещены один относительно другого. Протон проходит одну половину канала, затем на вращающемся роторе попадает во вторую половину канала.

Рис. 34. Строение протонной АТФ-синтазы

Движущей силой для АТФ-синтазы, катализирующей реакцию

АДФ + Н₃РО₄ = АТФ + Н₂О,

является разность электрохимических потенциалов, создаваемая при движении протонов через канал.

П. Митчелл для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи в 1960 г. предложил хемиосмотическую концепцию: в дыхательной цепи есть только 3 участка (комплексы I, III, IV), где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ.

Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшейся АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3, если реакция окисления идет с участием НАДН+Н⁺, и 2, если окисление субстрата протекает через ФАДН₂. Реально получаемые величины меньше (2,5 и 1,5), т.е. процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны.

Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в матрикс митохондрии.

Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но средняя продолжительность жизни молекулы АТФ меньше 1 мин. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается.

На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин., если бы не было ее регенерации. При образовании тромба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соответственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт миокарда).

Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.

Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК):

В норме ЭЗК = 0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости ее использования, адениловая система насыщена энергией.

При ЭЗК < 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.

Если ЭЗК = 1, то процессы синтеза АТФ тормозятся и ускоряется ее использование.

Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью. Относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, тогда как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.

Т.о., энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для биохимических и физиологических процессов. Эти превращения энергии и есть энергетический обмен.

Гипоэнергетические состояния подразделяются на:

1. Алиментарные (голодание, авитаминоз).

2. Гипоксические. Связаны:

- с нарушением поступления кислорода в кровь. Экзогенная гипоксия - недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе, легочная (дыхательная) –нарушение легочной вентиляции;

- с нарушением транспорта кислорода в крови. Гемодинамическая гипоксия связана с нарушениями кровообращения (генерализованные – пороки сердца, кровопотеря; локальные – спазм сосудов, тромбоз); причины гемоглобиновой гипоксии – гипогемоглобинемия, гемоглобинопатии, блокирование гемоглобина ядами.

3. Митохондриальные. Затруднено использование кислорода в клетках в результате нарушения функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.

При полном голодании пищевых резервов организма хватает на несколько недель. При лишении же организма кислорода смерть наступает через 2-3 минуты. Поэтому гипоксия - наиболее частая причина гипоэнергетических состояний, а гипоксия мозга - непосредственная причина смерти. Среди реанимационных процедур ведущее место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов кислородом.