3.7. Субстратное фосфорилирование.
Ресинтез АТФ может происходить не только в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, но и в процессе т.н. субстратного фосфорилирования, когда ресинтез АТФ происходит непосредственно в реакциях превращений энергетических субстратов. Так, в ходе диссимиляции углеводов (гликогена и глюкозы) ресинтез АТФ происходит в результате непосредственного взаимодействия АДФ с промежуточными продуктами этих превращений: 1,3-дифосфоглицериновой и фосфоэнолпировиноградной кислотами, имеющими макроэргические фосфатные связи. Рассмотрим механизм субстратного фосфорилирования на примере реакции между АДФ и фосфоэнолпировиноградной кислотой:
Субстратное фосфорилирование происходит и в цикле трикарбоновых кислот на этапе превращений сукцинил-кофермента А, также имеющего макроэргическую связь, в янтарную кислоту.
В отличие от фосфорилирования в процессе переноса электронов, субстратное фосфорилирование прочно сопряжено с ресинтезом АТФ. За счет реакций субстратного фосфорилирования в организме ресинтезируется небольшое количество АТФ.
3.8. Регуляция скорости аэробного окисления.
Скорость аэробного окисления в организме в целом или отдельных его органах и тканях может изменяться в широком диапазоне. Как показали многочисленные исследования, скорость переноса электронов в дыхательной цепи определяется соотношением концентраций АТФ, АДФ и Н3РО4 при ведущей роли АДФ. В экспериментах с использованием препаратов, содержащих неповрежденные митохондрии, было показано, что добавление в систему даже небольшого количества АДФ при наличии субстратов окисления, фосфорной кислоты и поставке достаточного количества кислорода значительно ускоряет биологическое окисление. Стимулирующее влияние АДФ на скорость биологического окисления получило название «дыхательного контроля». Субстраты окисления и кислород не стимулируют этот процесс. Недостаток энергетических субстратов и кислорода служит фактором, ограничивающим скорость биологического окисления.
Дыхательный контроль - очень важный и эффективный способ регуляции скорости биологического окисления. Рассмотрим это на примере мышечной ткани. Когда мышца находится в состоянии, покоя скорость расходования АТФ низка. Концентрация АТФ высокая, а АДФ – низкая. Невысокой будет и скорость биологического окисления. Как только мышца начинает выполнять работу, резко возрастает потребность в энергии и, следовательно, скорость расходования АТФ. В результате концентрация АТФ снижается, а АДФ возрастает. Это последнее вызывает усиление скорости аэробного окисления и ресинтеза АТФ.
После прекращения работы концентрация АТФ восстанавливается до исходного повышенного уровня, а концентрация АДФ снижается. Одновременно снижается и скорость аэробных превращений.
3.9. Свободное окисление.
В отдельных случаях (при охлаждении организма, при утомлении, вызванном мышечной работой, при необходимости устранить из организма путем расщепления какие либо нежелательные для него вещества) может происходить полное или частичное разобщение окисления с ресинтезом АТФ. В этом случае при переносе по дыхательным ферментам пары электронов ресинтезируется не 3, а меньше молекул АТФ (или совсем не ресинтезируется). Соответственно снижается и эффективность аэробного окисления и увеличивается доля энергии, освобождающейся в виде тепла.
Непосредственной причиной разобщения окисления и фосфорилирования служит изменение структуры митохондриальных мембран, на которых локализованы ферменты дыхательной цепи. Такие структурные изменения могут происходить при значительном снижении концентрации АТФ, повышении концентрации фосфорной кислоты, жирных кислот, ионов Са++, гормонов тироксина, инсулина, вазопрессина и под влиянием некоторых других факторов. При этом в процессы переноса электронов включаются ферментные системы, локализованные на наружной мембране митохондрий и в межмембранном пространстве. Эти системы способны обеспечить перенос электронов на кислород, но не содержат компонентов, сопрягающих этот процесс с ресинтезом АТФ. В этом случае вся энергия освобождается в виде тепла.
Электроны могут проходить по этим переносчикам весь путь от окисляемого вещества до кислорода, или только часть пути. В этом последнем случае происходит частичное разобщение окисления с ресинтезом АТФ и вместо 3 ресинтезируется 2 или 1 молекула АТФ.
Причиной разобщения окисления с ресинтезом АТФ может быть и создание веществами-разобщителями собственных протонных каналов во внутренней мембране митохондрий. В этом случае часть протонов может перемещаться обратно в матрикс не по протонным каналам Н+-АТФ-синтетазы, а по каналам, созданным веществами-разобщителями. Ресинтеза АТФ при этом не происходит, а вся энергия освобождается в виде тепла.
При частичном разобщении окисления и фосфорилирования скорость ресинтеза АТФ может даже возрасти из-за ускорения переноса электронов по дыхательной цепи. Однако, эффективность использования энергетических субстратов и кислорода при этом заметно снижается. Для ресинтеза того же самого количества АТФ надо затрачивать больше энергетических субстратов и кислорода, чем при полном сопряжении окисления и ресинтеза АТФ.
Частичное разобщение окисления и фосфорилирования может происходить на начальных этапах напряженной мышечной работы, в процессе разминки. Происходящее при этом преобразование значительной доли освобождающейся энергии в тепло способствует разогреванию мышц и организма в целом и подготавливает его к выполнению работы.