Военно-медицинская академия

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

преподаватель кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

доктор медицинских наук С.ГЛУШКОВ

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 7

_________________________________________

(номер по тематическому плану изучения дисциплины)

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «Биоэнергетика. Современные представление о биологическом окислении»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

«____» ____________ 200___ г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

План

Тема лекции

Время

Вступление Содержание Биологическое значение История развития, учения о биологическом окислении. Роль высокоэнергетических фосфатов в биоэнергетике Окислительно- восстановительное равновесие. Ферменты и коферменты участвующие в окислительно- восстановительном процессе. Оксидазный путь биологического окисления . Окислительное фосфорилирование. Ингибиторы дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. Оксигеназный путь биологического окисления. Роль цитохрома Р-450. Безферментный путь биологического окисления. Метаболизм супероксид -радикала. Заключение Итого: Литература

10 мин 35 мин 90 мин 70 мин 65 мин 270 мин ( 6 часов)

Введение.

Биоэнергетика, или биохимическая термодинамика, занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.

Основополагающие принципы этой концепции позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Только биологические системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Необходимо для функционирования организма энергия должна поступатььь к нему в виде подходящего «топлива», т.е. пищевых продуктов. Истощение энергетических ресурсов приводит к голодной смерти, а некоторые формы нарушения питания обусловлены энергетическим дисбалансом ( пеллагра, кахексия и др.) Известно, что скорость потребления энергии характеризуется скоростью метаболических процессов, которые регулируются гормонами, в частности, гормонами щитовидной железы. « Запасание » в организме избыточной энергии в форме питательных веществ приводит к ожирению.

Жизненно важные процессы – реакции синтеза, мышечное сокращение , проведение нервного импульса, активный транспорт – получает энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями .

Катаболические превращения ( распад или окисление «топлива») является экзергоническими реакциями( синтез углеводов, липидов, белков) представляются как эндергоническими реакциями. Совокупность катаболических и анаболических процессов и есть метаболизм.

Изменение свободной энергии ( У) это полезная энергия, которая осуществляется в химических системах, поэтому ее называют « химическим» потенциалом. Для поддержания процессов жизнедеятельности все организмы должны получать свободную энергию из внешней среды. Гетеротрофные организмы получают энергию в результате сопряжения метаболизма с процессом распада сложных органических молекул. Во всех этих процессах центральную роль играет АТФ, обеспечивающий передачу свободной энергии от катаболических процессов к анаболическим. АТФ участвует в реакцих в виде Мg 2+ - комплекса. Роль АТФ в биохимическихреакциях была установлена Мепманом, который ввел представление о « богатых энергией фосфатов» и «богатой энергией фосфатной связи», а также указал на их роль в биоэнергетике.

Содержание.

1. Биомедицинское значение.

Биологическое окисление представляет собой совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Окисление определяется как удаление электронов, а восстановление – как присоединение электронов. Окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим ко всем биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления . Однако, многие процессы биологического окисления идут без участия молекулярного кислорода, например дегитрогеназные реакции. Кислород используется главным образом в процессе дыхания -последнее можно определить как процесс « улавливания» клеткой энергии в виде АТФ при присоединении кислорода с воздухом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Это очень важный процесс, т.к. многие лекарства, токсические вещества, различные ксенобиотики, т.е. чужеродные для организма соединения, подвергаются воздействию ферментами этого класса, в частности ведущий системой цитохрома Р – 450. Введение кислорода может спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением в сочетании с капельным введением внутривенно глюкозы, как главного энергетического метаболизма, обеспечивающего накопление высокого уровня восстановительного НАДФ.

2. История развития учения о биологическом окислении.

Изучение процессов окисления в организме нечасто в 18 веке А. Лавуазье, который обратил внимание на наличие известного сходства между процессами горения органических веществ вне организма и дыханием животных. А. Лавуазье считал, что сущность процесса дыхания состоит в соединении кислорода вдыхаемого воздуха с углеродом и водородом органических веществ внутри тела. После работ Лавуазье в науке в течение долгого времени господствовало мнение о тождестве явления горения и медленного окисления питательных веществ в организме. Одноко, процесс биологического окисления протекает при низкой температуре ( температура тела), без проявления пламени ( как это бывает при горении) и , наконец, в присутствии воды, содержание которой достигает в тканях 75 – 80 % от общей массы. Причину своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые ( А.Н. Бах) пытались объяснить « активацией» кислорода в клетках организма. По А.Н. Баху « активация» молекулярного кислорода происходит в результате разрыва олной его связи ( - о – о -) и присоединения к органическим веществам – оксигеназам ( обозначим из буквой А ) способным к аутооксидации:

О О

А+ --> А ( перекись)

О О

Образующийся высокомолекулярные перекиси отдают активированный кислород при участии ферментов ( пероксидаз) субстрату.

О

А + субстрат - ->Окисленный субстрат +А

О

Теория А.Н. Баха получила название перекисной теории окисления.

Важнейшая заслуга в развитии учения о биологическом окислении принадлежит другому русскому ученому - ботанику и биохимику В.И. Палладину. Основные положения о механизме биологического окисления В.И. Палладин пояснил на примере окисления глюкозы.

По Палладину В.И. нервная фаза тканевого дыхания , сопровождающаяся образованием углекислого газа не требует участия кислорода:

С6Н12О6 + 6 Н2О +12 R 12RН2+6 СО2

Эта фаза названа анаэробной.

Вторая фаза:

12RH2 + CO2  12 R +12 H2O

Эта фаза названа аэробной

Суммарное уравнение получим:

С6Н12О6 + 6 О2 6 CO2 + 6 H2O

Важнейшую роль в анаэробной фазе играют специфические дегидрогеназы. Первичными акцепторами атомов водорода являются, названные В.И. Палладиным, хромогены, которые могут играть роль промежуточных переносчиков водорода. Поглощаемый при тканевом дыхании кислород воздуха играет лишь роль конечного акцептора водорода. Следовательно, если восстановленная форма промежуточного акцептора вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, то образуется вода

В дальнейшем значительный вклад в изучение биологического окисления внесли О. Варбург, Г. Виланд, Д. Кейлин, Г. Кребс, П. Митчелл, А. Леменджер, а в России – В.А. Энгельгардт, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев и др.

3. Роль высокоэнергетических фосфатов в биоэнергетике.

Для поддержания процессов жизнедеятельности все организмы должны получать свободную энергию из внешней среды. У автотрофных организмов, например, неленые растения , используют энергию солнечного света; некоторые афтотрофные бактерии существуют за счет реакции Fe +2  Fe +3.

Гетеротрофные же организмы получают энергию в результате сопряжения метаболизма в процессом распада сложных органических молекул, поступающих извне. Во всех этих процессах цетральную роль играет молекула АТФ, обеспечивающая передачу свободной энергии от катаболических процессов к анаболическим. АТФ участвует в метаболизме в виде Мg+2 – комплекса. Роль АТФ в биохимической энергетике была установлена в экспериментах, показывающих, что в процессе мышечного сокращения происходит распад АТФ и креатинфосфата ( В.А. Энгельчардт, В.А Белицер и др.). Ресинтез этих молекул осуществляется за счет энергии, поступающей от протекающих в мышце окислительных процессов. Окончательную ясность в нее внес Липман, который ввел представление о « богатых энергией фосфатах» и « богатой энергией фосфатной связи» и указал их роль в бионергетике. Чтобы указать на присутствие высокоэнергетической фосфатной группы, Липман ввел символ – Р, означающий наличие высокоэнергетической ( макроэргической) фосфатной связи. Символ – означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на подходящий акцептор сопровождается выделением большого количества свободной энергии. Так, АТФ содержит две высокоэнергетические фосфатные группы, АДФ – одну, тогда как фосфатная связь в АМФ является низкоэнергетической связью.

Стандартная свободная энергия ( Уо) гидролиза некоторых биохимически важных органических фосфатов ( в ккал\моль) представлена в табл 1.

№ п/п	Соединение	Уо ( в ккал\ моль)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.	Фосфоенолпируват Карбамоилфосфат Креатинфосфат АТФАДФ + Фн АДФАМФ +Фн Глюкозо – 6 фосфат Глицерол – 3 фосфат	-14, 8 -12,3 -10,3 -7,3 -6,6 -3,3 -2,2

Имеется три главных источника, обеспечивающие « улавливание» и « запасание»энергии. Во – первых, окислительное фосфорилирование, как нанаиболее важный в количественном отношении источник макроэргической связи( = Р) у аэробных организмов. Свободная энергия, необходимая для образования макроэргической связи генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях. Во- вторых, это гликолиз, т.е. суммарным результатом превращения одной молекулы глюкозы в лактат является образование двух = Р макроэргических связей в ходе реакций, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткиназой. В -третьих, цикл лимонной кислоты. Однако макроэргическая связь генерируется непосредственно в ходе цикла на стадии, катализируемой сукцинилтиокиназой. Другая группа соединений, фосфагены, выступает в качестве резервуара высокоэнергетических фосфатов: к их числу относится креатинфосфат, содержащийся в мышцах и в мозге позвоночных и аргининфосфат, находящийся в мышцах беспозвоночных.

При физиологических условиях фосфагены поддерживаются в мыщцах необходимую концентрацию АТФ в период его быстрогорасходования как источника энергии для мышечного сокращения. Сдругой стороны, когда накапливается достаточно много АТФ, реакция идет в направлении образования креатинфосфата, концентрация его повышается и он выступает как форма хранения высокоэнергетического фосфата.

Имеются родственные АТФ и АДФ нуклеозидфосфаты. При участии фермента нуклеозиддифосфаткиназы нуклеозидтрифосфаты, подобные АТФ ( ГТФ, УДФ, ЦТФ, ТТФ), могут синтезироваться из соответствующих дифосфатов.

Например: АТФ+УДФ  АДФ+УТФ

АТФ+ЦДФАДФ+ЦТФ

АТФ+ГДФАДФ+ГТФ

Все эти нуклеозидтифосфаты участвуют в происходящих в клетке реакциях фосфолирирования.

4. Окислительно – востановительное равновесие. Ферменты и коферменты, участвующие в окислительно – востановительных процессах.

Известно, сто изменение свободной энергии окислительно – восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной Уо, но и величиной окислительно – востановительного потенциала системы ( Ео). Обычно окислительно- восстановительный потенциал систем ( Ео) сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за 0,0 В при рН=0. Однако, для биологических систем удобнее использовать окислительно- восстановительный потенциал при рН =7,0 (Ео); при таком рН потенциал водородного электрода равен - 0, 42В. Известны некоторые окислительно - восстановительные потенциалы ряда систем ( табл.2).

№	Система	Ео В
1 2 3 4 5	Кислород\вода Цитохрома а : Fе +3\Fе+2 Убихинон: окисл\восстан Флавопротеин: окисл\восстан Сукцинат\ альфа – кетоглутарат	+ 0,82 +0,29 +0,10 -0,12 -0,67

Пользуюся этой таблицей, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электродов при сопряжении одной окислительно – восстановительной системы с другой.

Ферменты, катализирующие окислительно – восстановительные реакции, называют оксиредуктазами. Их разделяют на 5 групп.

1. Оксидазы, катализирующие реакции, идущие с участием молекулярного кислорода, например , цитохромоксидаза.

2. Аэробные дегидрогенгазы -ферменты, катализирующие водорода из субстрата. В качестве акцептора может быть использован кислород с образованием перекиси водорода . Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам. Коферменты ФМН, ФАД.

3. Анаэробные дегидрогеназы – ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата, но не способные использовать кислород в качестве его акцептора. Реакции этого типа приводят к окислению одного субстрата за счет восстановления другого в отсутствии кислорода.

Именно эти ферменты составляют функцию компонентов дыхательной цепи, обеспечивающей транспорт электронов от субстрата на кислород. Например, НАД, НАДФ – зависимые дегидрогеназы.

4. Гидроксипероксидазы – ферменты, использующие в качестве субстрата перекись водорода. К этой категории относят пероксидазы ( в лейкоцитах, тробоцитах) и каталазу ( эритроцты и клетках тканей).

5. Оксигеназы – ферменты, катализирующие прямое введение кислорода в молекулу субстрата ( монооксигеназа и диоксигеназы.)

Диоксигеназы катализируют включение молекулы кислорода в субстрат, т.е. два атома кислорода. Например, альфа- триптофандиоксигеназа из печени.

Монооксигеназы – ферменты, катализирующие включение в субстрат одного атома кислорода, когда другой атом его идет на образование воды. Этой системе необходим дополнительный донор водорода. Чаще всего им является кофермент НАДФН2.

А-Н +О2 + НАДФН2( субстрат) А-ОН +Н2О +НАДФ.

Эта группа ферментов находится в микросомах печени и участвует в метаболизме многих лекарственных и токсических веществ путем их гидроксилирования. В микросомах важную роль играет цитохром Р-450 и цитохром В5.

Схему гидроксилирования лекарственноговещества представить можно так:

Лек – Н +О2 + 2 Цитохром Р-450 (Fе +2) +НАДФН2  Лек – ОН +Н2О+2 цитохром Р-450 (Fе +3) + НАДФ.

( Лек – н – лекарство ).

Однако, цитохром Р-450 находиться также в митохондриях, что обеспечивает активную работу монооксигеназной системы. Эта система встречается в клетках коры надпочечников, семенниках, яичниках.

Система активно участвует в биосинтезе стероидных гормонов из холестерина. Ферменты почечной системы катализируют гидроксилирование 25- гидроксихолекальциферола по положению 1 альфа и 24.

5. Оксидазный путь биологического окисления. Дыхательная цепь.

Все ферментыдыхательной цепи, как установлено, связаны главным образом с митахондриями, точнее с их внутренними мембранами. Никотинамидадениндинуклеотидные кофермнты ( НАД+, НАДФ +) и некоторые ферменты цикла трикарбоновых кислот находится в матриксе митохондрий. Флавопротеины ( ФМН, ФАД), убихинон и цитохромы связаны с липидными структурам и внутренней мембраны. Обычно считается, что на участке между НАД и КоQ осуществляется двухэлектронный перенос, а на участке между цитохромом в и кислородом - одноэлектронный. Следовательно на каждом этапе дыхательной цепи должны участвовать по два цитохрома. Учитывая, что любой компонент дыхательной цепи может восстанавливать редокс- системы только с более высоким потенциалом, а окислить - с более низким, то в целом цепь дыхательных коферментов может быть представлена следующим образом. ( Рис 4.)

Матрикс 1\2 О2

Межмембранное пространство.

Иногда цепь биологического окисления может быть укорочена. Имеются флавиновые ферменты, например сукцинатдегидрогеназа, которые способны отнимать водород непосредственно от субстрата и передавать его сразу на КоQ. В ряде случаев дыхательная цепь может иметь еще более простое строение. Так, например, оксидазы L- и Д- аминокислот ( за исключением глутаматдидрогеназы) такие, как ксантиоксидаза и некоторые другие ферменты катализируют окисление соответствующих субстратов за счет кислорода без участия как НАД + или НАДФ +, так и цитохромов. Эти оксидазы по своей химической природе является флавопротеинами.

Оксидазный путь биологического окисления тесно связана с митохондриями клеток. Колическтво митохондрий в клетках может быть различными. Например, в одной клетке печени ( гепатоците) крысы содержится около 1000 митохондрий. Внутреннее пространство, митохондрий ( матрикс) окружено двумя непрерывными мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки, или кристы. Матрикс митохондрий состоит на 50 % примерно из белка и имеет тонкую структуру. В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов. С наружной мембраной связаны ферменты , участвующие в удлинении молекул насыщенных жирных кислот, имеющих от 12 до 16 атомов углерода. Кроме того, в наружной мембране имеются кинуренингидроксилаза и другие ферменты. Моноаминооксидаза может служить маркером ферментом для обнаружения наружной мембраны митохондрий . В межмембранном пространстве митохондрий обнаруживается активность миокиназы ( аденилаткиназы) и нуклеозиддифосфаткиназы. Во внутренней мембране митохондрий находиться ферменты дыхательной цепи. Там же находиться следующие ферменты : сукцинатдегидрогеназа ( СДГ), бетта - оксибутиратдегидрогеназа, карпитинацилтранфераза и другие.

Важно отметить , что расположение СДГ в непосредственной близости от компанентов дыхательной цепи, объясняет тот факт, что сукцинат окисляется в митохондриях намного быстрее, чем другие субстраты цикла трикарбоновых кислот . Поэтому использование в качестве лекарственного препарата сукцината ( «Я на») имеет большое практическое значение. В матриксе митахондрий содержатся некоторые ферменты цикла Кребса ( цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназа, фумараза, малатдегидрогеназа и др.), ферменты, участвующие в бетта – окислении жирных кислот, глутаматдегидрогеназа, трансаминазы ( АЛТ и АСТ) и др.

Чрезвычайно важной функцией дыхательной цепи, связанной с внутренней мембраной , является аккумуляция части освобожденной энергии ( около 50 %) в фосфатных связях высокоэргических ( или макроэргических) соединений, главным образом АТФ. Процесс сопряжения работы дыхательной цепи ( или тканевого дыхания ) и фосфорилирования получила название – окислительного фосфорилирования. Впервые в начале 30 – х годов профессор В.А. Энгельгард высказал предположение о наличии сопряжения между фосфолирированием АДФ в аэробном дыхании. Позже В.А.Белицер и соавт. Показали, что синтез АТФ из АДФ и H3PO4, осуществляется в митоходриях при миграции электродов от субстрата к кислороду через цепь дыхательных коферментов. При этом было показано, что отношение Р\О, т.е. число молекул неорганического фосфата, перешедших в органическую форму ( АТФ) в расчете на каждый поглощенный атом кислорода равно около 3-х. Далее, было установлено, что уменьшение свободной энергии системы при переносе пары электронных эквивалентов от НАДН2 к молекулярному кислороду составляет 220 кДж. ( 52, 7 ккал). Величина стандартной свободной энергии образования АТФ из АДФ иH3PO4 находиться в пределах 30, 2 кДж,т.е. 7,3 ккал.

На основании данных термодинамики была предсказана локализация трех пунктов окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи( Ленинджер А., 1980, 1985г.).

По А. Ленинджеру, на трех этапах синтеза АТФ из АДФ и , H3PO4 количество выделяющейся свободной энергии приблизительно совпадает со свободной энергией образования АТФ. Дыхательная цепь представляет собой своего рода « каскал», при помощи которого клетка получает свободную энергию для использования ее на различные виды « работ».

Важную роль в процессе окислительного фосфорилирования играет фермент, встроенный во внутреннюю мемьрану митохондрий; - АТФ – синтаза. Этот ферментный комплекс состоит из двух главных компанентов : FoиF1. КомпанентF1 напоминает “ шляпку гриба” обращенную в сторону матрикса митохондрий “ Шляпка”, чаще называемой головкой , с помощью ножки прикреплена к компонентуFo, который встроен во внутреннюю мемьрану и пронизывает ее насквозь. Именно эту часть молекулы АТФ – синтазы связывает токсичный антибиотик олигомицин – мощный ингибитор этого фермента и следовательно ингибитор окислительного фосфорилирования.

Компонент АТФ- синтазы F1 был выделен в чистом кристаллическом виде. Его молулярная масса равна = 380000. МолекулаF1 состоит из девыти субъединиц пяти разных типов, содержащих несколько связывающих участков для АТФ и АДФ. Удалось также получить в высокоочищенном виде иFoF1 - АТФ – синтазу, названную поэтому, что в изолированном виде она катализирует расщепление АТФ на АДФ иH3PO4. Однако, в интактных митохондриях главная ее биологическая функция заключается не в расщеплении , а в синтезе АТФ из АДФ иH3PO4. Поэтому ее и называют АТФ – синтетазой ( или АТФ – синтазой.).

Окончательно детали механизма сопряжения биоэнергетических процессов в митохондриях -дыхания и фосфорилирования – до сих пор , ее выяснены. Большой прогресс в понимании основных принципов биоэнергетики клетки связан с хемиосмотическом синтезом АТФ в биомембранах.

Согластно Митгему, основательно хемиосмотической теории объяснения механизма сопряжения окисления и фосфорилирования ( 1962, )первичным событием в окислительном фосфорилирования является транслокация протонов ( Н+) на наружную сторону сопрягающей ( внутренней) митохондриальной мембраны. Это осуществляется за счет процесса окисления в дыхательной цепи , предполагается , что мембрана непроницаема для ионов вообще, особенно для протонов, которые накапливаются на наружной стороне мембраны, создавая по обе стороны мембраны разность электрохимических потенциалов ( МН+). Она складывается из химического тотенциала ( разность рН) и электрического потенциала ( + У). Разность электрохимических потенциалов обеспечивает действие локализованной в мембране АТФ- синтазы.

Таким образом, нет необходимости в высокоэнергетическом промежуточном соединении, общем для процессов окисления и фосфорилирования.

Предполагается схема, отражающая принципы, лежащие в основе хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования.

Межмб. Внутренняя Матрикс мтохондрии

Простр. мембрана

H

SSох.

+ H

2Н+ НАДН2 НАД+

+ -

+ - 2 Н2О 2Н+ +2 ОН-

2Н+

+ - 2 Н2О 2 Н+ +ОН-

+ + -

2Н+

1\2 О2 +2Н+

Н20

Согластно этой схеме , перенос каждой пары электронов от НАДН+ на кислород сопровождается транслокацией 6 протонов с внутренней стороны на наружную сторону митохондриальной мембраны. Вначале НАДН+, забрав 2 протона от субстрата, восстанавливают ФМН в ФМН-Н2. Молекула ФМН является частью большого белкового комплекса, пронизывающего всю толщину внутренней мембраны митохондрии. Это позволяет молекуле ФМНН2 высвободить два протона на наружной стороне мембраны, а затем возвратить два электрона на участки FeS– белков, которые при этом восстанавливаются.

Каждый восстановленный FeS- комплекс отдает один электрон молекуле убихинонаQ, которая принимая протоны с внутренней стороны мембраны, превращается вQH2. Эта молекула, будучи липидорастворимой, легко перемещается к наружной стороне мембраны, где освобождает пару протонов, а два электрона передает следующему переносчику дыхательной цепи -цитохрому В. Этот переносчик ( т.е. комплекс цитохромов В 566 и В562) также пронизывает митохондриальную мембрану, что позволяет ему передавать электроны другой молекуле убихинона, которая одновременно присоединяет еще два протона из матриксаQH2. Совершается еще один челночный рейс на наружную поверхность , где освобождается два протона, а два электрона передаются двум молекулам цитохрома С1. Далее электроны проходят оставшуюся часть цитохромной цепи по мембране до цитохрома а3, находящегося на внутренней стороне мембраны. Здесь два электрона соединяются с двумя протонами из матрикса и атом кислорода, образуя воду.

На поверхности внутренней мембраны находятся также фосфорилирующие субединицы, ответственные за образование АТФ. Они состоят из нескольких белков, в совокупности образующих F1 – субединицу; последняя выступает в матриксе и представляет собой АТФ – синтазу.

F1 – субединицы с помощью « стебелька» связаны с мембраной белковой субединицейFo, пронизывающей , вероятно, всю мембрану. При прохождении через (Fo–F1)комплекс пары протонов из АДФ и Фн образуется одна молекла АТФ. Сходные фосфорилирующие субединицы находятся ,например, на внутренней стороне плазматической мембраны бактерий.

До сих пор, представление о механизме сопряжения пранслокации протонов с синтезом АТФ векторной АТФ – синтетазой имеют в значительной мере предположительный характер. Мемиосмотическая гипотеза Р. Митчела остается наиболее привлекательной для объяснения сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Согластно этой теории ионы Н+, выведенные наружу за счет энергии репеноса электронов, снова устремляются внутрь, т.е. в митохондриальный матрикс по протонному каналу Fo. Этот переход ионов Н+ из зоны с более высокой в зону с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счет которой образуется градиент трансмембранного потенциала ( Мн) и синтезируется АТФ. Таким образом можно предположить , что тканевое дыхание « заряжает» митондриальную мембрану, а окислительное фосфорилирование ее « разряжает», используя энергию мембранного потениала для синтеза АТФ.

Гистологическими и гистохимическими исследованиями внутренней мембраняя мембрана митохондрий может быть представлена Рис.2.

АТФ – синтаза Матрикс

Межмембранное пространство.

АТФ – синтаза

Включает комплекс белков: альфа 3, бетта 3, гамма, Е, ……, Каталитическим центром являются бетта- субединицы. Именно здесь происходит синтез АТФ из АДФ и Фн. Функциями альфа – субединиц являются «прикрытие» бетта- субединиц от воздействия градиентов митохондриального матрикса. Е –субединица регулирует деятельность Fo– протонного канала, ингибируя способность гидролизовать АТФ.

Субстратом для F1 – субединицы АТФ – синтазы является АДФ, Мg+2 и Фн. На рис.3 представлена работа АТФ -синтазы.

АТФ

Н2О

ОН Н+

Н2О

ОН-

Н+

H+

Fo

Межмембранное пространство.

На рис 4 представлена общая схема хемиосмотической теории Р. Митчела в разработке акад. Скулачева В.П. Именно в этой схеме отчетливо видно, как в процессе тканевого дыхания происходит « заряжение» мембраны и роль АТФ – синтазы в ее раздражении.

Межмб. Внутренняя Матрикс мтохондрии

Простр. мембрана

H

SSох.

+ H

2Н+ НАДН2 НАД+

+ -

+ - 2 Н2О 2Н+ +2 ОН-

2Н+

+ - 2 Н2О 2 Н+ +ОН-

+ + -

2Н+

1\2 О2 +2Н+

Н20

Fo H+

АДФ +Фн+Мg+2

АТФ+ Н2О

мН+

Роль трансмембранного электорохимического потенциала ( МН+) в обмене веществ исключительно велика , образуясь ( мН+) в процессе тканевого дыхания он тратится на транспорт Са +2, Фн, поддержание терморегуляции. В виде схемы биологическая роль трансмембранного потенциала (мН+) представлена на рис 5.