Называют диссимиляцией. Он представляет собой совокупность органических соединений, при которых выделяется определенное количество энергии.
Диссимиляция проходит в два или три этапа, что зависит от вида живых организмов. Так, у аэробов состоит из подготовительного, бескислородного и кислородного этапов. У анаэробов (организмы, которые способны функционировать в бескислородной среде) диссимиляция не требует последнего этапа.
Конечная стадия энергетического обмена у аэробов заканчивается полным окислением. При этом происходит расщепление молекул глюкозы с образованием энергии, которая частично идет на образование АТФ.
Стоит отметить, что синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, когда к АДФ присоединяется неорганический фосфат. При этом синтезируется в митохондриях при участии АТФ-синтазы.
Какая реакция происходит при образовании данного энергетического соединения?
Аденозиндифосфат и фосфат соединяются с образованием АТФ и на образование которой затрачивается около 30,6 кДж / моль. Аденозинтрифосфат поскольку значительное его количество высвобождается при гидролизе именно макроэргических связей АТФ.
Молекулярной машиной, которая отвечает за синтез АТФ, является специфическая синтаза. Она состоит из двух частей. Одна из них находится в мембране и представляет собой канал, по которому протоны попадают внутрь митохондрии. При этом высвобождается энергия, которая улавливается другой структурной частью АТФ под названием F1. Она содержит статор и ротор. Статор в мембране размещается неподвижно и состоит из дельта-области, а также альфа- и бета-субъединиц, которые отвечают за химический синтез АТФ. Ротор содержит гамма-, а также эпсилон-субъединицы. Эта часть крутится, используя энергию протонов. Данная синтаза обеспечивает синтез АТФ, если протоны с внешней мембраны направлены к середине митохондрий.
Необходимо отметить, что в клетке свойственна пространственная упорядоченность. Продукты химических взаимодействий веществ распределяются асимметрично (положительно заряженные ионы идут в одну сторону, а отрицательно заряженные частицы направляются в другую сторону), создавая на мембране электрохимический потенциал. Он состоит из химической и электрической компоненты. Следует сказать, что именно этот потенциал на поверхности митохондрий становится универсальной формой запасания энергии.
Данная закономерность была обнаружена английским ученым П. Митчеллом. Он предположил, что вещества после окисления имеют вид не молекул, а положительно и отрицательно заряженных ионов, которые размещаются на противоположных сторонах мембраны митохондрий. Данное предположение позволило выяснить природу образования макроэргических связей между фосфатами в процессе синтеза аденозинтрифосфата, а также сформулировать хемиосмотическую гипотезу этой реакции.
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.
3.Коэффициент окислительного фосфорилирования
Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; электроны от FAD-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. Поэтому образуются только 2 молекулы АТФ. Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величина меньше.
49.Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания. Термогенная функция энергетического обмена в бурой жировой ткани.
4.Дыхательный контроль
Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой, т.е. частота оборотов цикла АТФ и АДФ, может меняться в десятки раз.
Б. Транспорт АТФ и АДФ через мембраны митохондрий
В большинстве эукариотических клеток синтез основного количества АТФ происходит внутри митохондрии, а основные потребители АТФ расположены вне её. С другой стороны, в матриксе митохондрий должна поддерживаться достаточная концентрация АДФ. Эти заряженные молекулы не могут самостоятельно пройти через липидный слой мембран. Внутренняя мембрана непроницаема для заряженных и гидрофильных веществ, но в ней содержится определённое количество транспортёров, избирательно переносящих подобные молекулы из цитозоля в матрикс и из матрикса в цитозоль.
В мембране есть белок АТФ/АДФ-антипортер, осуществляющий перенос этих метаболитов через мембрану (рис. 6-16). Молекула АДФ поступает в митоходриальный матрикс только при условии выхода молекулы АТФ из матрикса.
Движущая сила такого обмена - мембранный потенциал переноса электронов по ЦПЭ. Расчёты показывают, что на транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти свободной энергии протонного потенциала. Другие транспортёры тоже могут использовать энергию электрохимического градиента. Так переносится внутрь митохондрии неорганический фосфат, необходимый для синтеза АТФ. Непосредственным источником свободной энергии для транспорта Са 2+ в матрикс также служит протонный потенциал, а не энергия АТФ.
В. Разобщение дыхания и фосфорилирования
Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH 2 возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается. Как правило, разобщители - липофильные вещества, легко проходящие через липидный слой мембраны. Одно из таких веществ - 2,4-динитрофенол, легко переходящий из ионизированной формы в неионизированную, присоединяя протон в межмембранном пространстве и перенося его в матрикс.
Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма тема, тироксин - гормон щитовидной железы. Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.
Г. Терморегуляторная функция ЦПЭ
На синтез молекул АТФ расходуется примерно 40-45% всей энергии электронов, переносимых по ЦПЭ, приблизительно 25% тратится на работу по переносу веществ через мембрану. Остальная часть энергии рассеивается в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание температуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при разобщении дыхания и фосфорилирования. Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, у зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду. У новорождённых, а также зимнеспящих животных существует особая ткань, специализирующаяся на теплопродукции посредством разобщения дыхания и фосфорилирования - бурый жир. Бурый жир содержит много митохондрий. В мембране митохондрий имеется большой избыток дыхательных ферментов по сравнению с АТФ-синтазой. Около 10% всех белков приходится на так называемый разобщающий белок (РБ-1) - термогенин. Бурый жир имеется у новорождённых, но его практически нет у взрослого человека. В последние годы появились факты, свидетельствующие о существовании в митохондриях разных органов и тканей млекопитающих разобщающих белков, похожих по своей структуре на РБ-1 бурой жировой ткани. По своей структуре термогенин близок к АТФ/АДФ-антипортеру, но не способен к транспорту нуклеотидов, хотя сохранил способность переносить анионы жирных кислот, служащих разобщителями.
На внешней стороне мембраны анион жирной кислоты присоединяет протон и в таком виде пересекает мембрану; на внутренней стороне мембраны диссоциирует, отдавая протон в матрикс и тем самым снижает протонный градиент. Образующийся анион возвращается на наружную сторону мембраны с помощью АТФ/ АДФ-антипортера.
При охлаждении стимулируется освобождение норадреналина из окончаний симпатических нервов. В результате происходят активация липазы в жировой ткани и мобилизация жира из жировых депо. Образующиеся свободные жирные кислоты служат не только "топливом", но и важнейшим регулятором разобщения дыхания и фосфорилирования.
АТФ (аденозинтрифосфат): молекула, обеспечивающая энергией живые клетки
Рис. 10.1. Строение аденозинтрифосфата (АТФ)
Утечка электронов приводит к образованию активных форм кислорода
Примерно 2% электронов высвобождаются из дыхательной цепи и связываются непосредственно с кислородом, образуя активные формы кислорода (АФК). Если работа дыхательной цепи нарушена, АФК образуются в большем количестве. Эти вещества повреждают митохондрии, вызывая все большие нарушения дыхательной цепи. Возникает порочный круг, и в результате из-за накопления различных повреждений под действием АФК происходит старение клетки.
Дыхательные яды
Вещества, которые ингибируют образование АТФ, потенциально токсичны для организма.
Амитал и ротенон блокируют транспорт электронов в комплексе I. Ротенон выделяют из корней растения деррис (Derris scandens) и нередко используют в качестве природного пестицида. Он малотоксичен для человека, поскольку плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте. Однако ротенон ядовит для рыб, так как быстро всасывается через жабры. К тому же при долговременном воздействии ротенон опасен и для человека, так как вызывает развитие .
Антимицин блокирует транспорт электронов в комплексе III.
Цианиды(CN-) , угарный газ (СО) и азиды (N3-) ингибируют комплекс IV. Поэтому при отравлении цианидом блокируются аэробные метаболические процессы, несмотря на то что кровь достаточно насыщена кислородом. Из-за остановки аэробного метаболизма венозная кровь принимает цвет артериальной крови. Кроме того, наблюдается гипервентиляция, поскольку из-за накопления молочной кислоты стимулируется дыхательный центр.
Олигомицин блокирует протонный канал (F0 в комплексе V) и не дает протонам возвращаться в матрикс. Поэтому АТФ-синтаза (F1) теряет способность синтезировать АТФ.
Биосинтез АТФ путем окислительного фосфорилирования (часть II)
На рис. 13.1 показан поток электронов и протонов в дыхательной цепи. Электроны и протоны от НАДН+ через комплекс I и от ФАДН2 через комплекс II передаются комплексу III . Затем электроны транспортируются в комплекс IV , где они присоединяются к кислороду. В это время протоны выкачиваются протонными насосами из матрикса в межмембранное пространство и возвращаются обратно в матрикс через протонный канал F0-субъединицы АТФ-синтазы (комплекс V ). Поток протонов (протонный ток) включает молекулярным двигатель - F1-субъединицу АТФ-синтазного комплекса , и она располагает молекулы АДФ и Фн таким образом, что они объединяются в молекулы АТФ .
АТФ-синтаза — фермент (КФ 3.6.3.14), который осуществляет реакцию синтеза АТФ из АДФ и аниона фосфата обычно за счет энергии трансмембранного электрохимического потенциала протонов (то есть комбинации градиента протонов и электрического напряжения), а в некоторых организмов за счет электрохимического потенциала ионов натрия, превращая ее, таким образом, в энергию химических связей, которая затем может использоваться клеткой в биохимических реакциях. В случае, когда фермент проводит обратный процесс — формирует трансмембранный протонный градиент за счет гидролиза АТФ, его могут называть АТФазы. Действие фермента ингибирует антибиотик олигомицин.
Номенклатура
АТФ-синтаза F 1 F 0 состоит из двух субъединиц:
- F 0 мембранная часть комплекса
- F 1 часть комплекса в матриксе митохондрий или цитоплазме бактерий.
Номенклатура субъединиц АТФ-синтазы достаточно сложная и имеет долгую историю. F 1 -фракции получила свое название от срока fraction 1 («фракция 1»), а F 0 (первоначально писалась с индексом «O», а не «ноль», как это более принято сейчас) получила название как фракция, н "связывает олигомицин.
По примеру других ферментов, большинство субъединиц получили названия в виде греческих (от α до ε) и латинских (от a до h) букв. Остальные субъединиц получили сложные названия:
- F 6 (от fraction 6)
- OSCP (oligomycin sensitivity conferral protein — «вспомогательной белок чувствительности к олигомицину»)
- A6L (названный по названию гена генома митохондрий, кодирующего эту субъединицу)
- IF1 (inhibitory factor 1 — «ингибирующее фактор 1»)
Устройство и принцип работы
АТФ-синтаза располагается на одной из мембран клетки и состоит из погруженного в нее домена F 0 и выступающего в матрикс или цитоплазму домена F 1, соединенных субъединицей γ. Отдаленно фермент напоминает плодовое тело гриба (в связи с чем в литературе по клеточной биологии, особенно старой, АТФ-синтазу иногда называли «грибовидными телом»).
Комплекс F 1 имеет диаметр около 9-10 нм и при разрушении γ «ножки» может отделяться от мембраны, образуя т F 1 -АТФазу. F 1 состоит из трех субъединиц α и трех β, которые объединяются попарно и формируют гексамеров с тремя активными центрами. Конформации меняются при вращении субъединицы γ вместе с комплексом F 0. Движущей силой в этом процессе переноса протона, что катализирует доменом F 0. Таким образом, протон напрямую не участвует в реакции конденсации АДФ и аниона фосфата. Следует отметить, что сам α 3 β 3 гексамеров не вращается относительно «статора» a, поскольку он содержится субъединицей δ, в свою очередь связанной с a субъединицей b («стеблем») комплекса F 1 (хотя обычно F 1 рассматривается как неподвижный, в действительности оба комплекса вращаются относительно друг друга в противоположных направлениях).
Принцип работы комплекса F 1 состоит сначала в слабом связывании АДФ и фосфата с активным центром, который затем меняет конформацию и прочно связывает их, в результате чего синтез АТФ идет самопроизвольно. При третьей конформации АТФ выталкивается из активного центра.
Принцип работы комплекса F 0 (что часто называют «самым маленьким в мире роторным электромотором») заключается в проникновении протона через канал в «статоре» (субъединица a) до связывания в «Ротор» (c-кольце). Для освобождения на другой стороне мембраны протона нужно выйти через другой канал в статоре, что сдвинут на некоторое расстояние, то есть для выхода ротора НЕОБХОДИМО обернуться относительно статора. Таким образом в роторе создается горизонтальная разность потенциалов, вращает его относительно статора.
Физиологическая роль
В роли АТФазы фермент применяется анаеробними бактериями для создания за счет энергии АТФ трансмембранного электрохимического потенциала протонов. Этот градиент, в свою очередь, используется для вращения жгутиков и для транспорта ионов внутрь клетки.
В аэробных бактерий фермент в основном используется для синтеза АТФ, причем электрохимического потенциал для этого производится при функционировании дыхательная цепь переноса электронов. В целом данный процесс называется окислительным фосфорилированием. Он протекает в митохондриях эукариот, на внутренней мембране которых расположены молекулы АТФ-синтазы, причем F 1 субъединица находится в матриксе, где и протекает процесс синтеза АТФ из АДФ и фосфата.
АТФ-синтеза задействована также в процессе фотосинтеза; она локализуется на тилакоидних мембранах хлоропластов, ориентируясь F 1 субъединицы в строму. Строение и механизм работы фермента в этом случае практически идентичен таковым для АТФ-синтазы митохондрий, однако протонный электрохимический потенциал формируется в принципиально ином электронтранспортной цепи.
