7.8. Фактори спряження. Теорія хеміосмотичного і хімічного спряження
Різноманітні біохімічні реакції, що відбуваються в організмі, повинні бути узгоджені між собою, а сувора впорядкованість може бути забезпечена лише ефективною регуляцією.
Завдяки наявності механізмів регуляції живі системи характеризуються цілеспрямованістю і здатні певним чином відповідати на несприятливі зовнішні впливи, наприклад, підтримкою постійного рівня АТР у клітині за умов надлишку дихального субстрату, що надходить ззовні. Такий тип саморегуляції зумовлений наявністю принципу зворотного зв’язку. Ключова роль у регуляції обміну речовин належить ферментам.
Утворення і концентрація будь-якого продукту обміну у клітині зумовлюються такою причинною залежністю:
Нуклеїнова кислота запускає певним чином синтез ферментів, а ферменти, у свою чергу, каталізують утворення і перетворення продуктів. У цю причинну залежність обов’язково включається кожний регулюючий внутрішній (наприклад, продукт обміну речовин) або зовнішній (наприклад, поживні речовини) фактор. Завдяки наявності механізму зворотного зв’язку розвивається саморегуляція, коли продукт реакції впливає на весь взаємопов’язаний ланцюг реакцій.
Прикладом метаболічної регуляції за принципом зворотного зв’язку може бути залежність інтенсивності дихання від концентрації АДР (рис. 60).
Рис. 60. Дихальний контроль (за Ліббертом Е., 1976).
Схема зображує сферу регуляції: регулюючий фактор – концентрація АТР, яка постійно підтримується; АДР – фактор зворотного зв’язку.
Внаслідок використання АТР в ендергонічних реакціях (різні синтези, поглинання і транспорт речовин, ріст та ін.) концентрація її зменшується, а концентрація АДР збільшується (АТР АДР + Рн.). Оскільки дія дихального ланцюга обов’язково пов’язана із фосфорилюванням і лімітується кількістю АДР, накопичення АДР при енергоспоживаючих процесах сприяє прискоренню його діяльності. У цьому випадку відбувається виключно економічна форма регуляції кількості доступної енергії шляхом “запиту” на неї.
Подібним чином за принципом зворотного зв’язку концентрацією НАДР+ регулюється пентозофосфатний цикл (рис. 61). Відновлюючі синтези, які потребують наявності НАДРН2, сприяють збільшенню концентрації НАДР+ і тому стимулюють пентозофосфатний цикл:
Рис. 61. Регулювання дихання за принципом зворотного зв’язку.
НАДР+ – фактор зв’язку
За принципом зворотного зв’язку здійснюється метаболічна регуляція циклу Кребса. При малій енергетичній потребі у клітині дихальною спряженістю гальмуються дихальний ланцюг і окисно-відновні реакції циклу, а отже – і утворення щавлевооцтової кислоти. Через неї шляхом зворотного зв’язку у циклі Кребса знижується утворення лимонної кислоти, а ацетил-КоА включається в інші системи реакцій, в основному біосинтезу (рис. 62).
Рис. 62. Метаболічна регуляція циклу Кребса.
Існують три теорії механізму окислювального фосфорилювання – хімічна, механохімічна і хеміосмотична.
Згідно за хімічною теоріэю механізму окислювального фосфорилювання, у мітохондріях існують проміжні посередники (інтермедіатори) білкової природи, які здатні утворювати комплекси з відновленими переносниками. Однак ця теорія не знайшла підтвердження: не вдалося виділити або довести існування високоенергетичного проміжного посередника (інтермедіатора).
Механохімічна гіпотеза механізму окислювального фосфорилювання грунтується на здатності мітохондріальних мембран до певних змін відповідно до ступеня насичення їх енергією. Згідно за припущенням П.Д. Бойєра (1965), при накопиченні енергії (утворення АТР) відбувається її перетворення у механічну, яка викликає конформаційні зміни мембран (скорочення білків) з наступною передачею цієї енергії на АДР, яка супроводжується розслабленням і синтезом АТР. Однак ця гіпотеза, подібно до хімічної, не може пояснити здатність мітохондрій підкислювати навколишнє середовище.
Найбільше визнання на сьоггодні отримала теорія Мітчела, яку він запропонував у 1961 р. Суть її полягає у тому, що потік електронів через систему молекул-переносників по ЕТЛ супроводжується транспортом іонів Н+ через внутрішню мембрану. Активне перенесення позитивного заряду (іонів Н+) супроводжується зростанням мембранного потенціалу, енергія якого використовується на синтез АТР, транспорт іонів (антипорт, симпорт) та інші процеси, що відбуваються за участю мембран. При хеміосмотичному спряженні дихальний ланцюг функціонує як протонний насос: потік електронів викликає активне переміщення протонів (Н+) з внутрішньої поверхні мембрани мітохондрії на зовнішню, яка, можливо, є малопроникною для пасивної дифузії іонів Н+ і ОН-. Внаслідок такого перерозподілу зарядів на мембрані створюється електрохімічний потенціал іонів Н+, який стає основною рушійною силою фосфорилювання за рахунок обертання транспорту іонів Н+ за участю Н+-АТР-ази крізь протонний канал.
Теорія хеміосмотичного спряження виходить з того, що переносники перешнуровують мембрану і при цьому розташовуються таким чином, щоб забезпечити перенесення електронів і протонів у один бік, а у інший – лише електронів. На поверхні мітохондріальної мембрани, внаслідок спрямованого перенесення іонів Н+ проти градієнта концентрації, виникає електрохімічний потенціал.
Гіпотеза Мітчела передбачає, що дихальний ланцюг локалізується на внутрішній мітохондріальній мембрані. Субстрат, який надходить до мітохондрій, окислюється так, що два іони Н+ залишаються зовні, а на внутрішню мембрану переноситься пара електронів, де вони приєднуються до кисню. При цьому кисень отримує здатність зв’язувати іони, які містяться у мітохондріях. Електрони надають внутрішній поверхні мембрани мітохондрій від’ємний заряд. Іони Н+ залишаються на зовнішній поверхні мембрани і зумовлюють її позитивний заряд. Внаслідок цього між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мітохондрій виникає різниця електричних потенціалів, яка забезпечує спряження фосфорилювання і окислення. Роз’єднання окислення і фосфорилювання при руйнуванні мембранних структур або при обробці ядами призводить до неможливості розподілу зарядів між поверхнями мембрани і відповідно – до неможливості створення потенціалу.