Механизм сопряжения окислительного фосфорилирования

На протяжении последних 30 лет шла дискуссия о том, как связаны принципы окисления и синтез АТФ. В начале полагали, что механизм похож на субстратное фосфорилирование, то есть энергия, которая образуется при переносе электрона на дыхательную цепь, сначала используется для образования богатых энергией гипотетических соединений и затем передаётся на АДФ с помощью специальных медиаторов, которые до сих пор не выделены. Поэтому эту химическую теорию можно считать неправдой.

Существует и другая теория (конформационная), согласно которой связь между окислением и фосфорилированием обусловлена посредством конформационных изменений ферментов дыхательной цепи. Энергия окисления затрачивается на создание напряжённой конформации фермента (“сокращение“ фермента). Последующее возвращение в исходную конформацию (расслабление) сопровождается использованием накопленной энергии для синтеза высокоэнергетического соединения (тиоэфира, например). Затем происходит перенос энергии на АТФ. Но эта теория несправедлива потому, что энергия, которая способна изменять конформацию ферментов, недостаточна.

В 1961 году Питер Митчелл написал статью, в которой предположил, что митохондрия откачивает из своего матрикса на наружную мембрану Н, то есть работает как обратимая протонная помпа. При этом на внутренней мембране создаётся электрохимический потенциал. Энергия этого потенциала трансформируется в энергию макроэргической связи АТФ.

Электрохимический потенциал имеет две составляющие:

1) электрическая;

2) осмотическая

Электрический потенциал возникает за счёт “ + “ заряда на внешней поверхности внутренней мембраны, а на внутренней поверхности этой же мембраны “ – “ заряда. На внутренней мембране за счёт откачки Н из матрикса меняется разница рН: в 1,5 единиц, так как матрикс слегка ощелачивается.

В живых клетках электрохимический потенциал = 180 м Вольт. В возбудимых тканях (миокард, нервная) электрохимический потенциал представлен в виде электрической составляющей, а в эпителии почечных канальцев – в виде осмотической.

Процесс формирования мембранного потенциала осуществляется с помощью протонной

АТФ- азы, то есть фермента, способного трансформировать энергию электрохимического потенциала в энергию АТФ, однако этот процесс обратим. Следовательно, АТФ – аза может быть первичным протонным генератором. С точки зрения Митчелла дыхательная цепь состоит из 3 – х циклов:

1) флавиновый;

2) убихиноновый;

3) кислородный.

За пределы внутренней мембраны выбрасывается 10Н. Для образования АТФ необходимо только 6Н (по 2 на каждый пункт фосфорилирования), остальные Н необходимы для совершения осмотической работы митохондрий: для транспорта внутрь митохондрий ПВК, Ф_н, АДФ и АТФ.

АТФ – аза имеет вид грибовидного сосочка. Протонная АТФ - аза – сложный фермент, состоящий из 9 субъедениц. Из них 3 а, которые выполняют химические функции, и 3 в – субъеденицы, которые способствуют распаду АТФ; благодаря им протонная АТФ – аза может работать как первичный протонный генератор, то есть в обратном порядке может создавать электрохимический потенциал. Протонная АТФ – аза видна как морфологическое образование в виде грибовидных выростов на внутренней мембране митохондрий. Часть Н, выброшенных за пределы митохондриального матрикса, используется для обеспечения транспорта Ф_н, субстратов цикла Кребса. Другая часть расходуется на синтез АТФ.

Митохондрии работают путём связывания H. Всякая работа сопровождается гидролизом АТФ и ведёт к образованию Н и закислению среды. Поэтому в большинстве случаев метаболического разрушения связаны с нарушением стехиометрии данных реакций - АТФ – азной и АТФ – синтетазной. При ацидозе преобладает первая, при алкалозе – вторая. Следует также отметить, что при окислении мембрана заражается, а при синтезе АТФ – разряжается.

Эффект разобщения окислительного фосфорилирования связан с тем, что разобщитель, являясь слабой кислотой (следовательно и хорошим акцептором Н) связывает Н и увлекает их из митохондриального матрикса, возникает дефицит Н на АТФ – азе и синтез АТФ блокируется. В

общих чертах работу дыхательной цепи можно представить так:

молекулы НАД * Н₂ и ФАД * Н₂ переносят электрон от субстрата на кислород. Причём эта же реакция равноценна сгоранию водорода на воздухе с образованием воды. Объектом переноса является не Н, а электрон, так как протоны остаются в водном растворе и могут акцептироваться из него по мере необходимости. Перенос электрона сопровождается умножением энергии на каждой ступени, вплоть до конца, когда электроны соединяются с кислородом, который диффундирует через мембрану митохондрий. Связываясь кислородом, который имеет максимальное сродство к электрону, сам электрон оказывается на самом нижнем энергетическом уровне, а энергия, выделяющаяся при этом, идёт на перекачку водорода из матрикса на наружную поверхность внутренней мембраны митохондрий. Так создаётся электрохимический потенциал, энергия которого трансформируется в макроэргическую связь АТФ.

Основная масса энергии, образуемая в организме, формируется в реакциях окислительного фосфорилирования. В сутки образуется 30 – 70 кг АТФ. Перенос электронов возможен только в случае снятия электрохимического потенциала, так как его накопление блокирует синтез АТФ.

 

ТЕРМОГЕНЕЗ.

 

Существует два механизма термогенеза:

1) сократительный (связан с гидролизом АТФ);

2) несократительный (основан на том, что в качестве источника тепла служит электро- химический потенциал).

Способность генерации энергии присуща всем тканям, но для того, чтобы они все заработали, необходимо сильное переохлаждение организма. Поэтому в организме есть ткань, которая обеспечивает термогенез в обычных условиях. Это бурая жировая ткань. Её особенно много у новорождённых (от затылка до крестца). У взрослого человека она локализуется в определённых местах: между лопаток, в паху. Бурая жировая ткань имеет много митохондрий, так как митохондрии содержат цитохром, то это и предаёт этой ткани бурый цвет. Особенностью митохондрий бурой жировой ткани является отсутствие АТФ – азы, а электро – химический потенциал генерируется в обычном режиме, но нет инструмента (аденилаттранслоказы), трансформирующего электрохимический потенциал в АТФ. Вместо него есть белок термоген, который шунтирует электрохимический потенциал с наружной мембраны вовнутрь и одновременно способствует рассеиванию энергии в виде тепла, так и происходит подогрев ткани. Бурая жировая ткань охватывает крупные кровеносные сосуды и согревает кровь, потом эта кровь согревает периферические участки тела. Это и есть несократительный термогенез.

Механизм сократительного термогенеза связан с окислительным фосфорилированием. При охлаждении организма активизируется симпатическая нервная система. В ответ на возбуждение происходит выброс адреналина, под действием которого идёт липолиз, через аденилатциклазный механизм. Образующиеся при этом жирные кислоты разобщают окислительное дыхание. Именно поэтому после принятия жирной пищи наступает состояние температурного комфорта.

Роль энергообмена.

Энергетический обмен играет ведущую роль в жизнедеятельности организмов, так как все функции организма энергозависимы. Систему механизмов, обеспечивающих стабильный уровень субстратов энергообмена называют энергетическим гемостазом. Одним из механизмов поддержания постоянного уровня АТФ в клетке, является наличие метамитохондрий, которые дают большое преимущество. Если один участок клетки плохо снабжается кислородом, то при помощи метамитохондрий, энергия электрохимического потенциала трансформируется в этот участок и восполняет недостаток АТФ.