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.

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.

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.

3.10. Анаэробное окисление.

Существуют такие окислительные реакции, в которых конечным акцептором протонов и электронов (чаще всего временным) является не кислород, а какое либо другое вещество. В этом случае говорят об анаэробном биологическом окислении. Причиной включения процессов анаэробного окисления чаще всего является дефицит кислорода. Анаэробное окисление может происходить при напряженной мышечной деятельности, когда поставка к тканям кислорода неадекватна потребностям в нем. В этом случае вся система промежуточных переносчиков оказывается «забита» протонами и электронами и, чтобы процесс биологического окисления не прекращался, восстановленный НАД или НАДФ начинает передавать протоны и электроны веществам, которые могут их присоединить. Наиболее часто таким веществом оказывается пировиноградная кислота – промежуточный продукт распада углеводов, главного источника энергии при напряженной мышечной работе. Реакция протекает по уравнению, представленнгому на рис 11.

Пировиноградная кислота молочная кислота

Рис. 11. Восстановление пировиноградной кислоты в молочную в процессе анаэробного окисления

При напряженной мышечной деятельности в интенсивно работающих тканях, прежде всего в скелетных мышцах, могут образовываться значительные количества молочной кислоты.

Образовавшаяся в ходе анаэробного окисления молочная кислота при достаточном снабжении тканей кислородом может вновь отдавать протоны и электроны НАД с образованием НАД-Н₂ и пировиноградной кислоты, дльнейшие превращения которых будет происходить по аэробному пути.

СН₃-СНОН-СООН + НАД → СН₃-СО-СООН + НАД-Н₂