1.2.2. Сопряжение биологического окисления и окислительного фосфорилирования
Комплекс V: F0-F1-АТФ-синтаза - сложная молекулярная система, которая может быть разделена на два субкомплекса: факторы F0 и F1. Первый отвечает за транспорт протонов, второй - за синтез (или гидролиз) АТФ. Этот АТФ-синтазный комплекс настолько велик, что далеко выдается вглубь матрикса митохондрий, образуя на внутренней стороне внутренней мембраны так называемые «грибовидные выросты» (рис. 12).
Рис. 12. Механизм синтеза АТФ
Функционирование Комплекса V происходит следующим образом: действие, совершаемое током протонов через F0 по градиенту их электрохимического потенциала (∆μН+), преобразуется в химическую работу синтеза АТФ, осуществляемую фактором F1. При этом энергия тратится не на образование фосфоангидридной связи между АДФ и Фн, а на «выталкивание» спонтанно возникшего АТФ из активного центра ферментативного комплекса. Иными словами, когда АДФ и Фн связаны с этим функциональным участком, продукция АТФ не требует дополнительных усилий, и вся энергия тратится на высвобождение генерированного макроэрга.
Таким образом, характер трансформации энергии в ходе окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи отличается от механизма его другого варианта (субстратного), который не требует участия мембран и протекает в водной среде в присутствии соответствующих ферментов, субстратов и кофакторов.
1.2.3. Регуляция скорости дыхания митохондрий
Как любой каталитический процесс, биологическое окисление определяется концентрациями субстратов, ферментов, коэнзимов, наличием активаторов и ингибиторов. В качестве первых выступают оказавшиеся в матриксе вещества, способные отдавать протоны и электроны на комплексы I или II (являющиеся энзимами), а витамины РР, В2 обеспечивают активную работу коферментов. Особая роль в функционировании митохондрий принадлежит системе АТФ-АДФ – классическим эффекторам. Это обусловлено тем, что биологическое окисление и фосфорилирование жестко сопряжены, т.е. функционирование ЭТЦ не может осуществляться, если оно не сопровождается синтезом АТФ. Зависимость первого процесса от уровня АДФ называют дыхательным контролем.
Обычно скорость дыхания большей части клеток, находящихся в покоящемся состоянии, определяется доступностью АДФ. Энергия, необходимая для совершения работы, поставляется за счет превращения АТФ в АДФ; как следствие создаются условия для роста интенсивности биологического окисления, что в свою очередь приводит к восполнению запасов АТФ. Очевидно, что при других ситуациях на мощность работы ЭТЦ может влиять и концентрация неорганических фосфатов. При повышении скорости дыхания (например, при физической нагрузке) в клетке либо исчерпываются возможности биологического окисления, либо возникает относительная гипоксия. Кроме того, фактором, лимитирующим скорость, может оказаться АТФ/АДФ-транслоказа, ответственная за перенос АДФ из цитозоля в митохондрии.
Механизм дыхательного контроля отличается высокой чувствительностью и точностью, поэтому относительные величины АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой (т.е. частота оборотов цикла АДФ-АТФ) может различаться в десятки раз.
Митохондрии - «энергетические станции клетки» поставляют образовавшийся АТФ «потребителям», находящимся в других компартментах клетки. Макроэрг, синтезируемый в матриксе, должен перемещаться в межмембранное пространство, откуда ему легко диффундировать в цитозоль. Преодоление внутренней мембраны облегчает специальная АТФ/АДФ–транслоказа, которая «выпускает» АТФ из матрикса строго на обмен АДФ. Попутно во внутрь митохондрий переходит эквивалентное количество Фн. Осуществляемое транслоказой поступление АДФ в матрикс является непременным условием для поддержания не только реакции фосфорилирования, но и работы самой дыхательной цепи.