АТФ-синтазный комплекс по форме напоминает гриб, ножка которого погружена во внутреннюю мембрану митохондрий, а круглая шляпка выступает наружу (рисунок 29. уч. Кухта, стр. 158). Состоит из растворимой АТФ-азы (фактор F1) и мембранных компонентов (комплекс F0). F1 располагается на поверхности внутренней мембраны митохондрий со стороны матрикса и обладает каталитической активностью синтеза или гидролиза АТФ. Комплекс F0 состоит из нескольких полипептидных субъединиц, он образует протонный канал во внутренней мембране митохондрий.
Таким образом, для фосфорилирования АДФ существует специальный V комплекс, получивший название АТФ-синтетазы.
Окислительное фосфорилирование – основной механизм синтеза АТФ в клетке.
Было установлено, что при тканевом дыхании митохондрий наряду с кислородом используется неорганический фосфат. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом Р/О и этот показатель был назван коэффициентом фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов.
Коэффициент окислительного фосфорилиования (К) – это отношение количества неорганического фосфата, потребляемого в процессе дыхания, к количеству кислорода: Р/О, т.е. К показывает число молей АТФ, образующихся из АДФ и РН на 1 грамм-атом поглощенного кислорода. Предложен в 1939 году В.А. Белицером.
Например, для субстратов, окисляемых НАД-зависимой дегидрогеназой, Р/О = 3, так как в дыхательной цепи есть 3 участка, на которых перенос электронов сопряжен с синтезом АТФ. Не все субстраты передают электроны и протоны на НАД, некоторые окисляются ФАД-зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя I комплекс. В этом случае Р/О = 2 (это означает, что дыхательная цепь имеет 2 пункта фосфорилирования или 2 пункта сопряжения: III и IV комплексы). Однако синтез АТФ непосредственно в этих комплексах не осуществляется.
Расчет показывает, что в сутки митохондрии образуют более 30 кг АТФ и столько же АТФ расходуется. Например, если в сутки в процессе тканевого дыхания образуется 400 мл воды, что составляет 22 моля, 
, а коэффициент фосфорилирования Р/О = 3, то это соответствует 66 молям АТФ (с учетом, что на 1 моль кислорода воды затрачивается 3 моля неорганического фосфата). Учитывая, что М(АТФ) = 507 г/моль, получаем 507 · 66 = 33 (кг).
Скорость окислительного фосфорилирования зависит от содержания АДФ: чем быстрее расходуется АТФ, чем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и, следовательно, в синтезе АТФ. Накопление АТФ сопровождается снижением содержания АДФ. Скорость образования АТФ при этом также уменьшается.
При органической потребности в АТФ падает и скорость переноса электронов и протонов от субстратов – источников энергии, т.е. падает скорость окислительного распада субстратов.
Регуляция скорости окислительного фосфорилирования содержанием АДФ называют дыхательным контролем.
При субстратном фосфорилировании образование АТФ сопряжено с окислением определенного вещества. Таких реакций известно три. Две из них протекают при гликолизе (глицероальдегид-фосфат → 1,3 дифосфоглицериновая кислота; 2 монофосфопируват → пируват). Обе эти реакции называются реакциями гликолитического фосфорилирования. 3-я реакция (аэробная фаза ЦТК – окислительное фосфорилирование α-кетоглутарата до сукцинил-КоА, затем до сукцинилфосфата, который является источником для образования ГТФ и АТФ. ГТФ, АТФ и другие соединения, при гидролизе связей которых выделяется более 30,5 кДж/моль энергии, называют макроэргами.
Субстратное фосфорилирование имеет значение при недостатке кислорода и ослаблении дыхания, когда усиливаются процессы гликолиза, особенно в скелетных мышцах и миокарде.
В митохондриях дыхание не всегда сопряжено с фосфорилированием. Такой свободный от синтеза АТФ путь окисления субстратов тканевого дыхания называется свободным тканевым дыханием без фосфорилирования. Свободное окисление является источником теплоты и поддерживает определенную постоянную температуру тела. Оно необходимо для жизни, поскольку ферментные реакции, процессы диффузии, всасывание питательных веществ и другие процессы могут происходить только при определенной температуре.
Свободное окисление играет важную роль в приспособлении организма к различным неблагоприятным условиям. Установлено, что при охлаждении дыхание, связанное с фосфорилированием, ослабляется, а свободное окисление усиливается. В организме есть ряд механизмов, которые регулируют соотношение между окислением и фосфорилированием. В частности, гормон щитовидной железы тироксин ослабляет сопряженность, а гормон поджелудочной железы инсулин усиливает её. Действие многих медикаментов (аспирин, фенацитин) также связано с их влиянием на процессы окислительного фосфорилирования. Они усиливают свободное дыхание, и следовательно, образование теплоты в организме. Названные факторы (гормон тироксин, лекарственные средства), а также свободные жирные кислоты, динитрофенол и другие называются разобщителями процессов дыхания и фосфорилирования.
Хемиосмотическая теория (протондвижущая).
Важнейшие исследования в разработке этой теории проведены советским ученым В.П. Скулачевым и английским исследователем П. Митчеллом. Сторонники хемиосмотической теории считают, что дыхание и фосфорилирование сопряжены между собой на внутренней мембране митохондрий. Эта сопряженность обусловлена системой трансмембранного перемещения электронов и протонов. Неразрывная взаимосвязь движения электронов по цепи дыхательных ферментов и протонов и протонов через мембрану митохондрий в конечном итоге на кислород представляет собой центральное звено дыхания и сопряженного с ним фосфорилирования. В этом процессе ведущую роль играет энергия возбужденных электронов, благодаря которой происходит перемещение («перекачивание») протонов с матрикса на наружную поверхность мембраны митохондрий, а электроны переносятся на убихинон к внутренней поверхности мембраны. Передвижение протонов и электронов приводит к накоплению протонов на наружной поверхности мембраны и уменьшению их в матриксе, что обусловливает возникновение положительного заряда на наружной поверхности мембраны и отрицательного на её внутренней поверхности. Так возникает электрохимический потенциал, состоящий из разницы концентрации ионов Н+ и разницы электрического потенциала. Энергия электрохимического потенциала используется для биосинтеза АТФ. При этом протоны проходят через протонный канал F0 мембраны митохондрий к белковому комплексу F1, что приводит к уменьшению величины электрохимического потенциала и трансформации его энергии для образования АТФ из АДФ (см. таблицу «Трансмембранный перенос электронов и протонов») и неорганического фосфата. Энергия электрохимического потенциала используется также для транспорта ионов, в частности, ионов Мg2+, Са2+, что очень важно для функции нервной системы и мышц.
Лекция № 16.
