Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_1 (1123306), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Все рассмотренные выше реакции фосфорилирования происходят иа субстратном уровне. Оценка эффективности улавливания энергии интактными мнтохондрнямн показывает, что прн окислении субстратов, идущем с участием 1чАР-зависимых дегидрогеназ н дыхательной цепи, происходит включение 3 молей неорганического фосфата в А!3Р и образуется 3 моля АТР на 1/2 моля потребленного кислорода. Отношение Р:О = 3 (рис.
13.6). В то же время при окислении субстрата через флавопротеиновую дегндрогеназу образуется только 2 моля АТР, т.е. Р: О = 2. Этн реакции называют реакциями окислительного фосфорилирования на уровне дыхательной цепи. В результате процессов дегидрогеннровання при катаболнзме глюкозы на путях гликолиза и цикла лимонной кислоты, завершающихся окислительным фосфорилированием, вместе с фасфорилированнем на субстратном уровне улавливается в виде высокоэнергетических фосфатов примерно 42% свободной энергии сгорания глюкозы Очевидно, что образование АТР в основном происходит за счет функционирования дыхательной цепи. Окислительиое фосфорилирование и перенос электронов 131 Рис. 13.7. Роль АОР в дыхательном контроле.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией АОР. Зто обусловлено тем, что окисление п фосфорплпропаппе жестко сопряжены, т.е. функционирование дыхательной цепи не может осуществляться, если оно не сопровождается фосфорилированием АОР. Чанс и Уильямс предложили рассматривать 5 состояний, при которых скорость дыхания митохондрий лимитируется определенными факторами (табл. 13.1). Обычно большая часть клеток, находящихся в покоящемся состоянии, пребывает в состоянии 4, при котором скорость дыхания определяется доступностью АОР. Знергия, необходимая для совершения работы, поставляется за счет превращения АТР в АОР; в результате создаются условия для увеличения скорости дыхания, что в свою очередь приводит к восполнению запасов АТР (рис. 13.7). Очевидно, что при определенных условиях на скорость работы дыхательной цепи может влиять и концентрация неорганического фосфата.
При повышении скорости дыхания (вызванном, например, физической работой) клетка приближается к состоянию 3 или состоянию 5: либо исчерпываются возможности дыхательной цепи. либо величина Ро опускается ниже значения К„для цитохрома и,. Скорость- лимитирующим фактором может оказаться АТР/А ОР-тра нслока тор (см. 138), обеспечивающий поступление АОР из цитозоля в митохондрии. Таким образом, механизм, с помощью которого улавливается свободная энергия окисления пищевых продуктов, является ступенчатым, эффективным (40 — 45%) и регулируемым, а не взрывоподобным, неэффективным и неконтролируемым.
Часть свободной энергии, которая не улавливается в форме высокоэнергетических фосфатов, освобождается в форме теплоты. Зто совсем не означает, что она Таблица 13.1. Состояния дыхательного контроля Состояния Факторы, лимитирующие скорость дыхания Доступность АРР и субстратоа Доступность субстратов Возможности самой дыхательной цепи при насышаюших количествах всех субстратов и компонентов Доступность АОР Доступность кислорода пропадает напрасно — у теплокровных животных она используется для поддержания температуры те- ла. ИНГИБИТОРЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ Значительная информация о дыхательной пепи была получена при использовании различных ингибиторов; предполагаемые места их действия показаны на рис.
13.6. Ингибиторы можно разделить на 3 группы: ингибиторы собственно дыхательной цепи, ингибиторы окислительного фосфорнлирования и разобщители окислнтельного фосфорилирования. Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, по-видимому, действуют в трех местах. Одно из них ингибируется барбитуратами (например, амобарбпталом), а также антибиотиком пперпцидппом А и роте- попом '.
Зти ингибиторы препятствуют окислению субстратов, которые поставляют восстановительные эквиваленты в дыхательную цепь при участии 1чАО- ' Высокотоксичиос асшсство, лобыаасмос из растений, которое использовалось американскнмн индейцами н качестве яда лля рыб.—.Прим. перев. 132 ,Глава 13 АОР Состряняе 4 ~ вч о Ъ а г з Время, мия Рве. 13.8. Дыхательный контроль в митохондриях.
Эксперимент А: исходный уровень дыхания в состоянии 4, добавление АВР приводит к ускорению дыхания. После фосфорилировапия экзогепного АРР с образованием АТР дыхание возвращается к уровню состояния 4. Добавление разобщителя, например динитрофеиола, вызывает дыхание, нс сопряженное с фосфорилировапием. В эксперименте Б добавление олигомипвпа блокирует фосфорилирование экэогеппого АВР, а также дыхание.
Последующее добавление разобщителя вызывает дыхание, пе сопряженное с фосфорилироаанием. зависимых дегидрогеназ,— примером таких субстратов является гидроксибутират. Димвркаирол и аитимиции А ингибируют дыхательную цепь на участке между цитохромом й и цитохромом с. Классические яды — Н,8, окись углерода и цианид — ингибируют цитохромоксидазу. Карбоксии и ТРА (теноилтрнфторацетон) специфически ннгибируют переход восстановительных эквивалентов от сукцинатдегидрогеназы на кофермент (), а маловат является конкурентным ннгибитором сукцинатдегидрогеназы. Антибиотик олигомицин полностью блокирует окисление и фосфорилирование в интактных митохондриях.
Однако если вместе с олигомицином добавить к системе разобшитель динитрофенол, то окисление протекает, но без фосфорилирования. Это означает, что олигомицин не действует непосредственно на дыхательную цепь, а подавляет стадию фосфорилирования (рис. 13.8). Атрактилозид ингнбирует окислительное фосфорилирование. блокируя транспорт адениновых нуклеотидов через внутреннюю митохондриальную мембрану. Он ингибирует транспорт АВР в митохондрии и выход АТР из митохондрий (рис.
13.16). Разобщители нарушают систему сопряжения процессов окисления в дыхательной цепи и фосфорилирования. В этих условиях процесс дыхания происходит неконтролируемым образом, поскольку концентрации АРР нли Р, не являются лимитируюшими. Чаще всего в качестве разобшнтеля используют 2,4- динитрофенол; аналогичное действие оказывает ряд других соединений: динитрокрезол, пентахлорфенол, СССР (карбонилцианид-м-хлорфеннлгидразон). Последний по эффективности в 100 раз превосходит динитрофенол. Энергонезависимая траисгидрогенизя Имеются данные о функционировании энергозависимой трансгидрогеназы, катализируюшей перенос водородов с ХАЕН на ХАБР.
При этом необходимая для реакции энергия поставляется либо непосредственно дыхательной цепью (процесс не блокируется олигомицином), либо в виде АТР (процесс блокируется олигомицином). МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ Для объяснения механизма сопряжения окисления и фосфорилиронания были выдвинуты две принципиальные гипотезы. Химическая пивтеза постулирует прямое химическое сопряжение на всех стадиях процесса, как при образовании АТР в процессе гликолиза.
Предполагается, что сушествует интермедиат, богатый энергией (1 Х), связываюший процессы окисления и фосфорилирования. Поскольку такое соединение до сих пор не было обнаружено, эта гипотеза н известной мере дискредитирована и н дальнейшем не будет рассматриваться (подробно об этом вопросе можно прочесть н обзоре: Натрет, 1хосЬ~еП апс1 Мауез; 1979). Хемиосмотическая теория постулирует, что при окислении компонентов дыхательной цепи генерируются ионы водорода, которые выходят на наружную сторону сопрягающей митохондриальной мембраны. Возникающая в результате асимметричного распределения ионов водорода (протонов, Н') разность электрохимических потенциалов используется для приведения в действие механизма образования АТР.
Были выдвинуты н другие гипотезы; согласно одной из них, энергия окисления запасается в форме изменения конформации молекул, а затем используется для генерирования богатых энергией фосфатных связей. Хемиосмотическая теория Согласно Митчеллу, первичным событием в окислительном фосфорилировании является траислокацня протонов (Н') на наружную сторону сопрягаюшей мембраны (внутренней митохондриальной мембраны), осуществляемая за счет процесса окисления в дыхательной цепи. При этом предполагается„что мембрана непроницаема для ионов вообще, особеи- 133 Окиелительиое фоефорилироваиие и перепое электронов цитохром о +(Ь Ч1) Рве. 13.9. Принципы, лежащие в основе хемиосмотической теории окислительпого фосфорплирования, Г, и à — белковые субъелипицы. ответственные за фосфорилировапие. Основной поток протонов создается сопряжением окисления с транслокацией протонов, переносимых с внутренней на наружную сторону мембраны; эта траислохация осушествляется комплексами дыхательной цепи 1, 1П и 1Ч.
каждый из которых лействует как протонная помпа. Разобщители, например динитрофепол, вызывают утечку Н+ через мембрану, сильно снижая элехтрохимичесхий протонный градиент. Олигомпцип специфически блокирует поток протонов через Гр. но для протонов, которые накапливаются на наружной стороне мембраны. создавая но обе стороны мембраны разность электрохимических потенциалов (Л р „.). Она складывается из химического потенциала (разность рН) н электрического потенциала. Разность электрохимических потенциалов обеспечивает действие локализованном в мембране АТР- сиитазы (или обращение процесса, катализируемого локализованной в мембране АТР-гидролазой).
которая в присутствии Р, + А13Р синтезирует АТР (рис. 13.9). Таким образом„нет необходимости в высокоэнергетическом промежуточном соединении, общем для процессов окисления и фосфорилирования, как это постулирует химическая гипотеза. Предполагается, что дыхательная цепь в мембране уложена в виде трех окислительно-восстановительных (о/в) петель, которые образованы комплексами 1, Ш н 1Ч соответственно. Идеализированная петля, состоящая из переносчиков водорода н переносчика электронов, показана на рис.
13.!О. Возможная конфигурация дыхательной цепи„ уложенной в трн функциональные о~в петли, показана на рис. 13.1!. Согласно этой схеме, перенос каждой пары элек2Н+ тронов от ХАЕН на кислород сопровождается транслокацней 6 протонов с внутренней на наружную сторону митохондриальной мембраны. Сначала МА13Н отдает один протон и два электрона, которые вместе с еще одним протоном нз матрикса митохондрии восстанавливают ГМ1Ч в ГМИН,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
