Главная › Топливная система › Где происходит процесс окислительного фосфорилирования. Механизм окислительного фосфорилирования. Смотреть что такое "" в других словарях

Где происходит процесс окислительного фосфорилирования. Механизм окислительного фосфорилирования. Смотреть что такое "" в других словарях

Окислительное фосфорилирование -- это основной путь синтеза АТФ, за счет энергии окисления субстрата кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования осуществляется вмитохондриях. Митохондрии справедливо называют «энергетическими станциями» клеток, так как они улавливают энергию внешних ресурсов и трансформируют ее в другие формы энергии. Условно можно разделить процесс окислительного фосфорилирования на 4 этапа.

1. Окисление энергетических субстратов в матриксе митохондрий.

2. Окисление НАДН и ФАДН 2 в митохондриальной дыхательной цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμH + за счет энергии окисления энергетических субстратов.

4. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала.

Окисление энергетических субстратов

В реакции дегидрирования при действии НАД + - и ФАД - зависимыхдегидрогеназ (ДГ)от энергетических субстратов отщепляются два атома водорода. Ферменты локализованы в матриксе митохондрий, за исключением ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы, которая локализована на поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Пиридинзависимые дегидрогеназы

ПВК Ацетил - КоА

Изоцитрат ДГ α-KT
α-KT АН 2 А Сукцинил-S-КоА

Малат ОАА

β-гидроксиацил-КоА НАД + НАДН+Н + β-кетоацил-КоА

Флавинзависимые дегидрогеназы

Сукцинат ДГ Фумарат

Ацил-КоА АН 2 А Ациленоил -КоА

ФАД ФАДН 2

В восстановленных коферментах 2ē находятся на более высоком энергетическом уровне, это высокоэргические электроны.

НАДН+Н + ↔ 2Н ↔ 2Н + + 2ē

Таким образом, химическая энергия субстратов (АН 2) трансформировалась в энергию электронов атомов водорода (электрическую энергию).

Кофакторы дегидрогеназ (НАДН + Н + - и ФАДН 2 –зависимых) являются переносчиками двух атомов водорода на другую ферментативную систему, а именно – на систему дыхательной цепи.

2.Окисление НАДН+Н + и ФАДН 2 в митохондриальной дыхательной цепи (ЦПЭ).

Окисление НАДН+Н + и ФАДН 2 осуществляется при участии окислительно-восстановительных ферментов митохондрий по реакции

НАДН+Н + + 1 / 2 O 2 →НАД + + H 2 O

Изменение свободной энергии этого процесса составляет: ΔG° = -220 кДж/моль

(ΔG° = - 52,6 ккал/моль).

Сущность окисления заключается в последовательной передаче электронов от НАДН+Н + и ФАДН 2 на кислород при помощи специальных переносчиков в электронтранспортной цепи.

Переносчики электронов в электронтранспортной цепи

Окислительно-восстановительные переносчики локализованы на поверхности или встроены во внутренней мембране митохондрий. Мерой сродства окислительно- восстановительной пары к электронам служит окислительно-восстановительный потенциал Е о, величина которого определяет направленность переноса электронов.

Типы переносчиков

ФМН + 2Н + + 2ē ↔ ФМНН 2

Железо-серные центры

Это белковые негемовые железосодержащие переносчики электронов. Имеются несколько типов железо-серных центров: Fe-S,Fe 2 -S 2 , Fe 4 -S 4 . Атомы железа комплексов могут отдавать и принимать электроны, поочередно переходя в ферро-(Fe 2+) - и ферри-(Fe 3+) - состояния. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, кофермент-Q(KoQ) – единственный небелковый переносчик электронов.

КоQ (хинон) КоQ (семихинон) КоQН 2 (гидрохинон)

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон – органический свободный радикал. Е о =+0,01

Цитохромы – белковые переносчики электронов, в качестве простетической группы, содержащие гемовое железо. В основе функционирования цитохромов лежит изменение степени окисления атома железа Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+ . Различные цитохромы обозначаются буквенными индексами: b, с 1 , с, a, a 3 . Отличаются цитохромы по структуре белковой части и боковых цепей гема, в связи с этим они имеют и различные величины редокс-потенциалов (окислительно-восстановительных потенциалов). Цитохром «b» Е о = +0,08 , «c i » Е о =+0,22, «с» Е о = +0,25, «аа з » Е о = +0,29. Отличительной особенностью цитохрома с является то,что он непрочно связан с внешней поверхностью внутренней мембраны митохондрий и легко покидает её.

Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных комплекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий, представляющие собой ферментативный ансамбль,получивший название «дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса электронов).

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Комплекс III – КоQН 2 -дегидрогеназа (KoQH 2 -цит.с-редуктаза). Простетические группы: FeS, цитохромы b 1 , b 2 , с 1 . Акцептор электронов – цитохром - с.

Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы аа з, Си 2+ . Акцептор электронов– кислород.

Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Между комплексами электроны транспортируются при помощи подвижных переносчиков - убихинона и цитохрома-с.

Окислительно-восстановительные переносчики в ЦПЭ расположены в порядке увеличения стандартных окислительных потенциалов, что обеспечивает самопроизвольный транспорт двух электронов по дыхательной цепи от НАДН+Н + к кислороду - конечному акцептору электронов. Перенос двух электронов по ЦПЭ является полезной работой и сопровождается поэтапным высвобождением свободной энергии Гиббса (ΔG), которая далее используется в синтезе АТФ.Поэтапное высвобождение энергии приводит к тому, что электроны, которые восстанавливают кислород, находятся на более низком энергетическом уровне, по сравнению с электронами, находящимися в восстановленном НАДН +Н + в начале цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμН +

Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в энергию химических связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский ученый Питер Митчелл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH + . ΔμH + . = Δ рН+ Δ φ

рН - градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году

П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала общепризнанной.

По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н + из матрикса митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации протонов - ΔрН и приводит к возникновению отрицательного заряда на поверхности мембраны со стороны матрикса и положительного заряда со стороны межмембранного пространства, при этом создается разность электрических потенциалов – Δφ. Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н + , ФАДН 2 , вода. Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:

1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и, особенно, для протонов.

2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это обеспечивается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и электронов и протонов одновременно.

4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала

Ферментативная система Н + - АТФ- синтазный комплекс, АТФ-синтаза, АТФ-азакатализирует реакцию фосфорилирования АДФ неорганическимфосфатом за счет энергии которая аккумулирована в электрохимическом потенциале.

Протонная АТФ-синтаза состоит из 2-х субкомплексов: F 1 иF o . F 1 - субъединица представлена 5 видами полипептидных цепей и отвечает за синтез и гидролиз АТФ. Имеет форму шляпки гриба, выступающего в матрикс митохондрий и связана с мембранной белковой субъединицей F о. F o - это гидрофобный сегмент из 4-х полипептидных цепей, который пронизывают всю мембрану митохондрий и образует протонный каналв ферментативном комплексе. Через протонные каналы АТФ-синтазы происходит, возвращение протонов обратно вматрикс митохондрий. Существует предположение,что прохождение протонов сопровождается конформационными изменениями активных центров АТФ-синтазы, что и стимулирует синтез АТФ.

В соответствии с механизмом сопряжения окислительного фосфорилирования, предложенным Митчеллом, перенос двух протонов через, протонный канал АТФ-синтазы сопровождается синтезом одной молекулы АТФ.

Реакции окисления, катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами, сопряжены с I-м комплексом ЦПЭ,поэтому высвобождающаяся поэтапно энергия обеспечивает транслокацию в межмембранное пространство трех пар протонови следовательно, синтез 3-х молекул АТФ.

Реакции окисления, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, сопряжены с III-м комплексом ЦПЭ и в межмембранное пространство переносятся лишь две пары протонов,следовательно, синтезируется 2 АТФ.

Реакция окисления аскорбиновой кислотысопряжена на уровне семихинона,поэтому осуществляется транслокация только одной пары протонов и синтезируется лишь 1 молекула АТФ.

Рис.6-2. Схема «Дыхательной цепи»

Окислительное фосфорилирование - один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ. Субстратами окислительного фосфорилирования служат продукты расщепления органических соединений - белки, жиры и углеводы. Процесс окислительного фосфорилирования проходит на кристах митохондрий.

Однако чаще всего в качестве субстрата используются углеводы. Так, клетки головного мозга не способны использовать для питания никакой другой субстрат, кроме углеводов.

Предварительно сложные углеводы расщепляются до простых, вплоть до образования глюкозы. Глюкоза является универсальным субстратом в процессе клеточного дыхания. Окисление глюкозы подразделяется на 3 этапа:

1. гликолиз;
2. окислительное декарбоксилирование и цикл Кребса;
3. окислительное фосфорилирование.

При этом гликолиз является общей фазой для аэробного и анаэробного дыхания .

2.1.1 Гликолиз - ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных .

Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.

Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2-х молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода.

Гликолиз - один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд. лет назад у первичных прокариот .

Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД H.

Полное уравнение гликолиза имеет вид:

С 6 Н 12 О 6 + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф н = 2НАД Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H 2 O + 2Н + .

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Ф н = 2лактат + 2АТФ + 2H 2 O.

Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ.

У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания - окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, - дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецифичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы - глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф ):

Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg 2+ , с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза .

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы.

Печёночный изофермент гексокиназы - глюкокиназа - имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.

В следующей реакции (2 ) ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф ):

Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза.

Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3 ) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ ) на две триозы (4 ).

Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.

Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата:

В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат , причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй (5 ), который и участвует в дальнейших превращениях:

Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД + в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглице-рата (6 ):

Далее с 1,3-дифосфоглицерата , содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (реакция 7 ) - образуется молекула АТФ:

Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3 . Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.

Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфо-глицерат (8 ):

Енолаза образует фосфоенолпируват (9 ):

И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10 ):

Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.

С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают только реакции 7 и 10 , в которых и происходит к субстратное фосфорилирование АДФ .

Регуляция гликолиза

Различают местную и общую регуляцию.

Местная регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов под действием различных метаболитов внутри клетки.

Регуляция гликолиза в целом, сразу для всего организма, происходит под действием гормонов, которые, влияя через молекулы вторичных посредников, изменяют внутриклеточный метаболизм.

Важное значение в стимуляции гликолиза принадлежит инсулину. Глюкагон и адреналин являются наиболее значимыми гормональными ингибиторами гликолиза.

Инсулин стимулирует гликолиз через:

· активацию гексокиназной реакции;
· стимуляцию фосфофруктокиназы;
· стимуляцию пируваткиназы.

Также на гликолиз влияют и другие гормоны. Например, соматотропин ингибирует ферменты гликолиза, а тиреоидные гормоныявляются стимуляторами.

Регуляция гликолиза осуществляется через несколько ключевых этапов. Реакции, катализируемые гексокиназой (1 ), фосфофруктокиназой (3 ) и пируваткиназой (10 ) отличаются существенным уменьшением свободной энергии и являются практически необратимыми, что позволяет им быть эффективными точками регуляции гликолиза .

Гликолиз - катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров. Пируват также может быть использован для синтезааланина, аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках .

Фосфорилирование АДФ в митохондриях;

Аэробное окисление питательных веществ с образованием углекислого газа и воды.

При менее интенсивной нагрузке - при умеренной мышечной активности - когда к мышечным клеткам доставляется достаточное количество кислорода, происходит образование АТФпреимущественно путем окислительного фосфорилирования - аэробное окисление углеводов и жиров с образованием углекислого газа, воды и АТФ. В течение первых 5-10 мин главным ресурсом для этого служит гликоген. В последующие ~30 мин доминирующими становятся источники энергии, доставляемые кровью, причем глюкоза и жирные кислоты участвуют примерно в одинаковой мере. На более поздних этапах сокращения преобладает утилизация жирных кислот, а глюкоза расходуется меньше. Процесс протекает в митохондриях – энергетических станциях клеток – длительный путь, включающий цикл Кребса (ЦТК – цикл трикарбоновых кислот) и электрон- транспортную цепь (где собственно происходит окисление), детально описанный в учебниках биохимии

Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА, метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование включает в себя превращение пирувата в ацетил-КоА и, в конечном счете, его полное окисление до углекислого газа и воды. Это превращение совершается в цикле Кребса и в цепи переноса электронов (ЦПЭ). Реакции общего пути катаболизма происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий.

Рис.18. Схема получения энергии мышечной клеткой.

Пути получения энергии мышечной клеткой взаимосвязаны и могут пересекаться. Сначала рассмотрим этот процесс на примере использования самого универсального источника энергии - глюкозы (рис.18 ).

В цитоплазме молекула глюкозы превращаются в пируват в процессе гликолиза. Параллельно с этим синтезируется АТФ. Гликолиз не требует присутствия кислорода. Однако образовавшийся пируват может быть и дальше использован клеткой для получения энергии, в этом случае получится синтезировать гораздо больше АТФ, чем при гликолизе. Этот процесс, который носит название окислительного фосфорилирования, происходит в митохондриях, и для него клетке уже нужен кислород. Пируват попадает в митохондрию, где вступает в Цикл Кребса. Основным продуктом этого цикла является NADН (НАДАН) (читается «над-аш»). NADН вступает в процесс окислительного фосфорилирования, который протекает во внутренней мембране митохондрии. В результате синтезируется АТФ, причем в гораздо большем количестве, чем при гликолизе

Рис.19. Катаболизм основных пищевых веществ. 1-3 - пищеварение; 4-8 - специфические пути катаболизма; 9-10 - заключительный (общий путь) катаболизма; 11 - ЦПЭ; 12 - окислительное фосфорилирование.

Какие вещества используются в различных метаболических путях?

Для гликолиза могут использоваться только углеводы. Почти все легко усваиваемые углеводы могут превращаться в глюкозу или запасаться в форме гликогена. Гликоген и глюкоза метаболизируются в процессе гликогенолиза и гликолиза. Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА (рис. 19), метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования. В частности, жиры расщепляются до глицерина, который затем превращается в пируват и жирные кислоты. Жирные кислоты окисляются в митохондриях в процессе р-окисления до ацетил-КоА. Белки расщепляются до аминокислот, которые после дезаминирования (удаления NH3) превращаются в пируват или в ацетил-КоА и поступают в цикл Кребса. Ни в одной реакции цикла Кребса и р-окисления не используется кислород, однако, если ЦПЭ не включается, то возникает дефицит акцепторов электронов (НАД, ФАДН), что приводит к замедлению, а затем и полному прекращению обмена веществ.

Превращение пирувата в ацетил-КоА происходит при участии набора ферментов, структурно объединённых в пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК). Ацетильный остаток - ацетил- Ко А далее окисляется в цикле лимонной кислоты до СО 2 и Н 2 О. В этих реакциях окисления принимают участие NAD- и FAD-зависимые дегидрогеназы, поставляющие электроны и протоны в ЦПЭ, по которой они передаются на О 2 .

Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования.

Рис. 20.Эффективность и экономичность основных путей энергообеспечения

Известно, что при аэробном окислении из одной молекулы молочной кислоты происходит ресинтез в углевод 4–6 других молекул молочной кислоты, а окисление углеводов в полных кислородных условиях сопровождается значительно большим освобождением энергии для ресинтеза глюкозы, чем при анаэробном процессе. В связи с этим в аэробных условиях глюкоза может образовать в 19 раз больше АТФ по сравнению с анаэробными. Следовательно, аэробный путь энергообеспечения является более эффективным и экономичным (рис.20 ).

Сравним три пути ресинтеза АТФ.

Сравнение:	три пути ресинтеза	АТФ.
	КРЕАТИНФОСФАТНЫЙ	ГЛИКОЛИЗ	ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Локализация	Сократительный участок мышцы	Цитоплазма	Митохондрия
Субстрат	КФ	Глюкоза/гликоген	Пируват (или ацетил-коэнзим А [КоА])
Продукт	Креатин + Рi\|	Пируват или лактат	Углекислый газ и вода
Количество стадий			11 + перенос электронов
Выход АТФ, молекул
Использование кислорода	Нет	Нет	Да
Скорость	Быстрый	Быстрый	Медленный
Тип	Анаэробный	Анаэробный	Аэробный

Рис.21. Последовательность включение разных путей синтеза АТФ в начале легкой физической нагрузке

Как показано на рис.21 в первые секунды почти вся энергия обеспечивается аденозинтрифосфатом (АТФ); следующим источником служит креатинфосфат (КФ). Анаэробный процесс–гликолиз достигает максимума приблизительно через 45 с, тогда как за счет окислительных реакций мышца не может получить основную часть энергии ранее, чем через 2 мин.

Даже при легкой работе (рис.21 ) получение энергии происходит по анаэробному пути в течение короткого переходного периода после начала работы; в дальнейшем метаболизм осуществляется полностью за счет аэробных реакций (рис. 21 ) с использованием в качестве субстратов глюкозы, а также жирных кислот и глицерола. В отличие от этого во время тяжелой работы получение энергии частично обеспечивается анаэробными процессами. Кроме этих «узких мест» в процессах энергообеспечения и тех, что временно возникают сразу же после начала работы (рис. 21), при экстремальных нагрузках образуются «узкие места», связанные с активностью ферментов на различных этапах метаболизма.

Рис. 22. Потребление кислорода во время легкой динамической работы постоянной интенсивности

Пути ресинтеза АТФ и их вклад в энергообеспечение мышечной деятельности будут зависеть от интенсивности, длительности нагрузок и способности систем обеспечить энергетические процессы в мышце кислородом.

Как показано на рис. 22, способность нашего организма адекватно удовлетворять потребности мышц в кислороде далека от совершенства. Когда вы начинаете выполнять упражнение, система транспорта кислорода (дыхание и кровообращение) не сразу поставляет необходимое количество его активным мышцам. После начала работы требуется некоторое время для увеличения интенсивности аэробных энергетических процессов в мышце. Лишь через несколько минут достигается стабильный уровень потребления кислорода, при котором полностью функционируют аэробные процессы, однако потребность организма в кислороде резко повышается именно в момент начала выполнения упражнения. В этот период дефицит энергии компенсируется за счет легкодоступных анаэробных энергетических резервов (АТФ и креатин–фосфата). Количество макроэргических фосфатов невелико по сравнению с запасами гликогена, однако они незаменимы как в течение указанного периода, так и для обеспечения энергией при кратковременных перегрузках во время выполнения работы.

Поглощение кислорода и, следовательно, образование АТФ увеличиваются до того момента, пока не будет достигнуто устойчивое состояние, при котором образование АТФ адекватно его потреблению при работе мышц. Постоянный уровень потребления кислорода (образование АТФ) поддерживается, пока не изменится интенсивность работы. Между началом работы и увеличением потребления кислорода до какого-то постоянного уровня происходит задержка, называемая кислородным долгом или дефицитом. Дефицит кислорода - период времени между началом мышечной работы и ростом потребления кислорода до достаточного уровня.

На рис. 22 показано потребление кислорода до, во время и после лёгкой равномерной работы.Показаны дефицит кислорода и избыток потребления кислорода после физической нагрузки.

Что такое дефицит кислорода?

Период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня; то есть длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ. Потребность в АТФ возрастает мгновенно, однако для достижения необходимого уровня поглощения кислорода требуется некоторое время; в результате чего создается дефицит кислорода. Существуют различные точки зрения на механизмы обеспечения АТФ в этот период. Возможно, АТФ синтезируется в процессе анаэробного метаболизма или поступает из запасов клетки, возможно, просто измерение количества АТФ запаздывает по сравнению с его содержанием. При тренировках дефицит кислорода уменьшается, что свидетельствует о возможности более быстрого подключения систем, обеспечивающих быструю доставку кислорода при физической нагрузке.

Кислородный дефицит (дефицит кислорода) –

разность между кислородным запросом и кислородным приходом.

период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня.

длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ.

На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования:

1. Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности : каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т.е. обладает более положительным окислительно-восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.

2. Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2 .

Строение дыхательной цепи и механизм окислительного фосфорилирования

3. Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН 2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода .

4. Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией . По мере их продвижения по цепи они теряют энергию.

Энергетические соотношения в дыхательной цепи митохондрий и участки переноса ионов Н + через мембрану

Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Упрощенно сказанное представить в виде равенства:

5. Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения (или, не совсем точно, пункты фосфорилирования). Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией .

Градиент (Δμ, "дельта мю") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, "дельта пси") и концентрационную (ΔрН):

Δμ = ΔΨ + ΔрН

Название "участки сопряжения " возникло из-за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ. Именно благодаря этим трем ферментным комплексам энергия реакций окисления может передаваться на фосфорилирование , т.е. существует сопряжение (связывание) двух процессов.

6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H + теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу (Н + -транспортирующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ . Другая часть рассеивается в виде тепла:

Структурная организация цепи переноса электронов

Электроны, мигрирующие по дыхательной цепи, движутся по сложным траекториям. Особенность их движения состоит в петлеобразных движениях в пределах каждого из ферментативных комплексов дыхательной цепи. В каждый комплекс поступают 4 протона на одну пару электронов.

Комплекс I (F -цикл). Суммарно можно представить, что молекула НАДН вносит 2 электрона в митохондриальную мембрану, еще 2 электрона поступают от FeS-

белков и вместе с 4 протонами из матрикса совместно с 2 молекулами ФМН образуют комплекс ФМН-Н 2 , который перемещается к внешней поверхности мембраны.

Вблизи от поверхности мембраны комплекс распадается на 2 пары электронов, 4 протона и 2 ФМН.

Следует учитывать, что в комплексе I присутствует одна молекула ФМН, которая успевает 2 раза переместиться поперек мембраны, чтобы перенести 4Н + . Две пары электронов связываются двумя FeS-белками, имеющими более высокий электрохимический потенциал и переносятся к внутренней стороне мембраны к ФМН (одна пара электронов) и коэнзиму Q (вторая пара электронов). ФМН возвращается обратно, а протоны не имеют центров связывания и поэтому покидают мембрану. Участки выброса протонов из мембраны представляют собой 10-14 параллельных а-спиральных участков полипептидный цепей, поднимающихся от ферментативных комплексов перпендикулярно внешней стороне мембраны. Протоны передаются в межмембранное пространство по системе водородных связей, стабилизирующих а-спиральные участки.

Комплекс III (Q -цикл). Через систему FeS-белков 2е" (от комплекса I) переносятся к внутренней поверхности мембраны и с 2 протонами из матрикса взаимодействуют с коэнзимом Q (убихиноном), формируя комплекс QH 2; , который представляет собой восстановленный убихинон. Еще одна молекула QH2 формируется в результате взаимодействия 2е" (их переносят в комплекс III цитохромы bj и Ь 2), с 2 протонами из матрикса и коэнзимом Q. Убихинон, являясь подвижным переносчиком электронов и протонов, переносит их к внешней митохондриальной мембране, где происходит распад этой молекулы. В области внешней стороны мембраны 2 молекулы QH2, распадаются на 2е", 4 протона и 2 молекулы Q*~ (се-михинона). Электроны перехватывают FeS-белки (они содержат 2 Fe 2 S2 центра). Протоны покидают мембрану, а 2 молекулы Q" ~ передают 2 электрона цитохро-мам Ь] и Ь 2 которые, в свою очередь, переносят их к коэнзиму Q. 2 Молекулы се-михинона (Q""), передав свои неспаренные электроны цитохромам Ъ\ и Ь 2 , превращаются в форму коэнзима Q и возвращаются к внутренней стороне мембраны. Два электрона через FeS-белки мигрируют к цитохрому С\. Цитохром Q, в свою очередь, передает электроны цитохрому С, который перемещается по внешней поверхности мембраны и является подвижным переносчиком электронов между III и IV комплексами.

Комплекс IV (О-цикл). В IV комплекс электроны вносит цитохром С. Через цитохромы а и а 3 электроны поступают к внутренней поверхности мембраны, где совместно с протонами и молекулой кислорода превращаются в пероксид водорода (Н 2 О 2). Он мигрирует к внешней поверхности мембраны и вновь распадается на кислород, электроны и протоны. Протоны выталкиваются из мембраны, а электроны с помощью цитохромов а и а 3 вновь доставляются к внутренней поверхности мембраны где, уже утратив свою высокую энергию, взаимодействуют с кислородом и протонами из матрикса и образуют эндогенную воду. Особенность функционирования IV комплекса состоит в переносе через мембрану только 2-х протонов из матрикса. Это объясняется тем, что два другие протона из 4-х поступающих в IV комплекс расходуются на образование воды.

Протонный цикл - замкнутый процесс перемещения Н + в митохондриях. Функцией протонного канала является первичное запасание энергии электронов в виде мембранного потенциала с последующим использованием ее для синтеза АТФ, а также для переноса веществ через митохондриальную мембрану (каналы транспортных систем).

Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ

АТФ-синтаза (Н + -АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F 0 и F 1 .

Гидрофобный комплекс F 0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F0 состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Строение и механизм действия АТФ-синтазы. А - F 0 и F 1 - комплексы АТФ-синтазы, В состав F 0 входят полипептидные цепи, которые образуют канал, пронизывающий мембрану насквозь. По этому каналу протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства; белок F 1 выступает в матрикс с внутренней стороны мембраны и содержит 9 субъединиц, 6 из которых образуют 3 пары α и β ("головка"), прикрывающие стержневую часть, которая состоит из 3 субъединиц γ, δ и ε. γ и ε подвижны и образуют стержень, вращающийся внутри неподвижной головки и связанный с комплексом F0. В активных центрах, образованных парами субъединиц α и β, происходит связывание АДФ, неорганического фосфата (Р i) и АТФ. Б - Каталитический цикл синтеза АТФ включает 3 фазы, каждая из которых проходит поочерёдно в 3 активных центрах: 1 - связывание АДФ и Н 3 РО 4 ; 2 - образование фосфоангидридной связи АТФ; 3 - освобождение конечного продукта. При каждом переносе протонов через канал F 0 в матрикс все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла. Энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация α- и β-субъединиц и происходит синтез АТФ.

Дыхательный контроль

Работа дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль .

Дыхательный контроль – это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (т.е. на величину дыхания). В свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ и АДФ , количественная сумма которых в клетке практически постоянна ([АТФ] + [АДФ] = const). Реакции катаболизма направлены на поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого АДФ.

Возрастание протонного градиента возникает при снижении количества АДФ и накоплении АТФ (состояние покоя ), т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н + не проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение электронов по цепи замедляется . Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН 2 на I и II комплексах и замедление катаболизма в клетке.

Снижение протонного градиента возникает при исчерпании резервов АТФ и избытке АДФ, т.е. при работе клетки . В этом случае активно работает АТФ-синтаза и через канал F о проходят в матрикс ионы Н + . При этом градиент, естественно, снижается, поток электронов возрастает, в результате повышается выкачивание ионов Н + в межмембранное пространство и снова их быстрое "проваливание" через АТФ-синтазу внутрь митохондрий с синтезом АТФ. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН 2 (как источников электронов) и снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс. Как итог – активируются реакции катаболизма углеводов и жиров.

Коэффициент Р/О (коэффициент окислительного фосфорилирования) является мерой эффективности дыхания как поставщика энергии для синтеза АТФ. Коэффициент Р/О (или Р/2е) численно равен отношению количества синтезированного АТФ к количеству атомов потребленного кислорода. Чем выше коэффициент, тем больше синтезируется АТФ в расчете на каждую пару перенесенных электронов. В случае полной дыхательной цепи Р/О близок к 3, в случае укороченной к 2.

Микросомальное окисление

Окисление может происходить не только в митохондриях, но и в микросомах и пероксисомах. В этих структурах тоже имеются цепи транспорта электронов (т.е. процесс окисления), но не ведущие к синтезу АТФ. Эти цепи включают НАДФ, ФМН, ФАД, FeS-белки, аскорбиновую кислоту, цитохромы другие : b 5 , P 450 . Цель этих цепей окисления: окисление циклических веществ, чтобы сделать их более растворимыми для выведения через почки, гидроксилирование - для тех же целей стероидных гормонов, обезвреживание токсинов, лекарственных веществ, чужеродных молекул (ксенобиотиков).