Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
572
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

2 3 2 Часть II. Обмен веществ и энергии

ная форма вещества может окислять восстановленную форму любого вещества, рас­ положенного ниже в таблице, а восстановленная форма может восстанавливать окисленную форму любого вещества, расположенного выше.

Общая разность окислительно-восстановительных потенциалов между НАДН и O 2 равна: 1,14 В [0,82 - (-0,32) = 1,14]; этому соответствует разность свобод­ ных энергий AG, равная -220 кДж в пересчете на каждую пару переносимых электронов. Такого количества энергии хватило бы на синтез четырех молекул АТФ. Однако в действительности может синтезироваться не более трех молекул АТФ. Отметим, что энергия синтеза воды из молекулярного водорода и молеку­ лярного кислорода равна 230 кД ж /моль, т. е. несущественно отличается от энер­ гии синтеза воды при переносе водорода с НАДН на молекулярный кислород в живой клетке.

МЕХАНИЗМ СОПРЯЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ С Ф0СФ0РИЛИР0ВАНИЕМ

Ферменты цепи переноса электронов фиксированы в митохондриальной мембра­ не таким образом, что их действие векторно, т. е. характеризуется не только вели­ чиной скорости реакции, но и пространственной направленностью, подобно дей­ ствию транспортных АТФаз. Основным проявлением векторности в дыхательной цепи является перенос ионов водорода с внутренней стороны мембраны (со сто­ роны матрикса) на наружную (в межмебранное простраство).

В дыхательной цепи есть три пункта, связанные с перекачкой протонов: ком­ плексы I, III и IV (см. рис. 8.3).

Кофермент Q при участии НАДН-дегидрогеназы (комплекс I) присоединяет электроны (а также протоны) от компонентов дыхательной цепи с матриксной стороны мембраны, а освобождаются электроны и протоны на противоположной стороне мембраны, причем электроны акцептируются очередным компонентом дыхательной цепи, а протоны уходят в межмембранное пространство. Такой ме­ ханизм называют Q-циклом. Сходным образом действует и цитохром-с-редуктаза (комплекс III). В области цитохромоксидазы (комплекс IV) в перекачке протонов, возможно, участвуют ионы Cu2+.

Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. Таким образом, цепь переноса электронов работает как про­ тонный насос, перекачивая ионы водорода из матрикса на наружную сторону мембраны.

В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций про­ тонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Иначе говоря, энергия разности окислительно-восстано­ вительных потенциалов веществ трансформируется в энергию протонного элек­ трохимического потенциала Д|0.Н'.

Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном на­ правлении — с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент Н +АТФ-синтетаза (см. рис. 8.3), катализирующий такую реакцию:

АДФ + H 3PO4 -* АТФ + H 2O

Глава 8. Энергетический обмен

2 3 3

АТФ-синтетаза — очень крупный олигомерный белок, в котором выделяют три части: выступающую в матрикс митохондрии часть (Fl), построенную из трех пар димеров а|3; трансмембранную часть (F0), образующую гидрофильный канал, и промежуточную область FA. Субъединица F'I содержит активные центры, синтези­ рующие АТФ. Протоны движутся через канал АТФ-синтазы, и энергия этого дви­ жения используется для образования АТФ. Конкретные механизмы сопряжения, т. е. трансформации электрохимического потенциала в энергию макроэргической связи АТФ, все еще не вполне ясны.

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 мат­ рикс митохондрии.

В искусственных условиях, в опытах in vit.ro можно создать избыток АТФ со стороны внутренней поверхности внутренней мембраны. В этом случае реакция идет справа налево, т. е. фермент работает как транспортная АТФаза, перенося­ щая протоны (Н+-АТФаза). Мембрана при этом энергизуется: Д|1Н* возникает за счет энергии гидролиза АТФ.

КОЭФФИЦИЕНТ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

В расчете на каждый атом поглощенного кислорода (или на каждую пару перено­ симых электронов) митохондрии образуют максимум три молекулы АТФ (т. е. свя­ зывают три молекулы H 3PO4 с АДФ). Отношение количества связанной H 3PO4K количеству поглощенного кислорода (О) называют коэффициентом фосфорили­ рования и обозначают P/О ; следовательно, коэффициент Р /О < 3. ФАД-зависи- мые дегидрогеназы мембраны митохондрий не являются протонными насосами (см. рис. 8.4): в этом случае в цепи переноса электронов действуют только два пункта перекачки протонов — комплексы III и IV, и коэффициент P/О не может быть больше двух.

Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ. Фактически часть энергии электрохимического потенциала используется не для синтеза АТФ, а для переноса веществ через митохондриальную мембрану при участии транслоказ по механизмам симпорта и антипорта.

Человек за сутки потребляет из воздуха около 600 л (- 27 моль) кислорода. Подавляющая часть кислорода (примерно 90 %) восстанавливается до воды при участии дыхательной цепи. Если считать, что в митохондриях восстанавливается 25 моль O2 (т. е. 50 моль атомарного кислорода), а коэффициент Р /О = 2,5, то в митохондриях организма синтезируется 50 • 2,5 =125 моль АТФ, т. е. около 60 кг АТФ в сутки. Конечно, такое же количество АТФ и распадается за сутки: эта ве­ личина характеризует не общую массу АТФ в организме, а скорость кругооборо­ та АТФ-АДФ. Общее содержание АТФ в организме невелико, порядка 50 г. Каж­ дая молекула АТФ расщепляется и вновь регенерируется 2500 раз в сутки, так что средняя продолжительность ее жизни меньше I мин. На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2 % имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израс­ ходовалась бы за I мин, если бы не было ее регенерации. При образовании тром­ ба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соот­

2 3 4

Часть II. Обмен веществ и энергии

ветственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт мио­ карда).

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

Сопряжение окисления с фосфорилированием в митохондриях отличается проч­ ностью: если невозможен синтез АТФ, то прекращается и перенос электронов в дыхательной цепи. Суммарный результат окисления НАДН и фосфорилирования АДФ в дыхательной цепи можно представить следующим образом:

НАДН + H++ 1/2 O2 -►НАД+ + H2O;

ЗАДФ + 3 H3PO4 -►ЗАТФ + ЗН20.

Эти реакции можно изучать in vit.ro в суспензии митохондрий. Если в инкуба­ ционной смеси есть все исходные вещества, за исключением АДФ, то поглощения O2 (дыхания) не наблюдается. После внесения АДФ сразу же начинается и дыха­ ние, и синтез АТФ; по мере расходования АДФ скорость дыхания снижается и совсем прекращается, когда вся АДФ превратится в АТФ.

Зависимость дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыха­ тельным контролем. Этот механизм регуляции имеет очень важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ определяется потребностью клетки в энергии: при увеличении расходования АТФ в клеточных процессах (ре­ акции, катализируемые синтетазами, транспорт ионов и др.) увеличивается кон­ центрация АДФ, а это автоматически ведет к ускорению дыхания и фосфорили­ рования. Можно сказать, что темп работы митохондриям задается фактическими затратами АТФ.

Механизм дыхательного контроля отличается высокой чувствительностью и точностью, поэтому относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменя­ ются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой (т. е. частота оборотов цикла АДФ-АТФ) может изменяться в десятки раз.

РАЗОБЩЕНИЕ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

Некоторые вещества разобщают окисление и фосфорилирование. Примером может служить 2,4-динитрофенол (рис. 8.6). Это липофильное вещество легко диффундирует через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и, следовательно, может переносить ионы водорода через мембрану в сторону их меньшей концентрации. Поэтому 2,4-динитрофенол уничтожает AfiH+митохондриальной мембраны, а энергия рассеивается в форме

он

о

NO2

NO2

Мембрана

Рис. 8.6. Действие динитрофенола на трансмембранный потенциал

Глава 8. Энергетический обмен

2 3 5

теплоты. Потребление кислорода и окисление субстратов при этом продолжают­ ся, но синтез АТФ, естественно, невозможен.

Поскольку энергия окисления при разобщении рассеивается в форме тепло­ ты, то разобщители повышают температуру тела (пирогенное действие).

ОБЩИЙ ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА

Впище человека практически не содержатся готовые первичные доноры водоро­ да, служащие субстратами для дегидрогеназ; они образуются в ходе катаболизма пищевых веществ.

Впроцессах катаболизма можно выделить два типа путей: специфические пути катаболизма, разные для разных классов веществ, и общий путь катаболиз­ ма, который служит единым продолжением специфических путей (рис. 8.7).

Врезультате специфических путей катаболизма продукты переваривания пище­ вых веществ (моносахариды, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты) пре­ вращаются всего в два вещества — пировиноградную кислоту и ацетильный оста­ ток в молекуле ацетил-КоА, т. е. происходит значительное уменьшение разнооб­ разия веществ.

 

Жиры

Полисахариды

Белки

Жирные

 

I

I

кислоты

Глицерин

Моносахариды

Аминокислоты

Ацетил-KoA

О

HS-KoA

I

CO2, H2O

Рис. 8.7. Катаболизм основных пищевых веществ:

1-5специфические пути катаболизма; 6, 7 — общий путь катаболизма

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.