Клеточное дыхание

Биологическое окисление и восстановление

Клеточным дыханием называют совокупность протекающих в каждой клетке ферментативных процессов, в результате которых молекулы углеводов, жирных кислот и аминокислот расщепляются в конечном счете до углекислоты и воды, а освобождающаяся биологически полезная энергия запасается клеткой и затем используется. Многие ферменты, катализирующие эти реакции, находятся в стенках и кристах митохондрий.

На все проявления жизни — рост, движение, раздражимость, самовоспроизведение и другие — клетка должна затрачивать энергию. Живые клетки — не тепловые машины: они не могут использовать для осуществления всех этих процессов тепловую энергию, а поэтому вынуждены использовать энергию химическую главным образом энергию макроэргических фосфатных связей (~ Ф). Эти связи обладают сравнительно высокой свободной энергией гидролиза ΔG; иными словами, разность между энергией исходных веществ и энергией продуктов, образующихся после расщепления такой связи, относительно велика. Однако свободная энергия гидролиза не локализована в ковалентной связи, соединяющей атом фосфора с атомом кислорода или азота. Поэтому выражение «богатая энергией (или макроэргическая) фосфатная связь», строго говоря, является неверным, но оно настолько укоренилось, что вряд ли будет заменено другим.

Все живые клетки получают биологически полезную энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород, который, реагируя с электронами и ионами водорода, образует молекулу воды. Передача электронов кислороду происходит при участии заключенной в митохондриях ферментной системы — системы переноса электронов.

Электроны отнимаются от молекулы какого-либо питательного вещества и переносятся (под действием специфических ферментов) на какой-нибудь первичный акцептор. Другие ферменты отнимают электроны от первичного акцептора, последовательно передают их различным компонентам системы переноса электронов и в конце концов присоединяют их к кислороду.

Главным источником макроэргических фосфатных связей (~ Ф) в клетке служит поток электронов, передающихся по системе переноса электронов от одного акцептора к другому. Этот поток электронов получил название электронного каскада. Представим себе, что этот поток на своем пути проходит через ряд водопадов; каждый водопад вращает турбину ферментативной реакции, в ходе которой энергия электронов связывается в биологически полезной форме — в виде энергии макроэргических соединений, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ).

АТФ служит «энергетической валютой» клетки и используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. Богатые энергией молекулы не перемещаются свободно из одной клетки в другую, а образуются в том месте, где они должны быть использованы. Например, макроэргические связи АТФ, служащие источником энергии для реакций, связанных с мышечным сокращением, образуются в самих мышечных клетках.

Процесс, в котором атомы или молекулы теряют электроны (е-), называют окислением, а обратный процесс — добавление электронов к атому или молекуле — восстановлением. Простым примером окисления и восстановления служит следующая обратимая реакция:

Fe2+ реакция идет в обе стороны Fe3+ + e-.
 

Реакция, идущая вправо, представляет собой окисление (отнятие электрона), а идущая влево — восстановление (присоединение электрона). Все окислительные реакции (при которых происходит отнятие электрона) должны сопровождаться восстановлением — реакцией, в которой электроны захватываются какой-нибудь другой молекулой, так как они не существуют в свободном состоянии.

Передача электронов через систему переноса электронов происходит путем ряда последовательных реакций окисления — восстановления, которые в совокупности носят название биологического окисления. Если при этом энергия потока электронов накапливается в форме макроэргических фосфатных связей (~Ф), то процесс называется окислительным фосфорилированием. В большинстве биологических систем одновременно отщепляются два электрона и два протона (т. е. два атома водорода). Этот процесс известен под названием дегидрирования.

Специфические соединения, которые образуют систему переноса электронов и которые попеременно окисляются и восстанавливаются, называются цитохромами. Известно несколько цитохромов — а, b и c; каждый из них представляет собой белковую молекулу, к которой присоединена химическая группировка, называемая гемом, подобная той, которая входит в состав гемоглобина. В центре гема находится атом железа, который попеременно окисляется и восстанавливается, превращаясь из Fe2+ в Fe3+ и обратно, отдавая или принимая один электрон.

Еще один компонент системы переноса электронов, называемый убихиноном (так как он встречается повсюду!) или коферментом Q, состоит из шестичленного углеродного кольца, способного присоединять и отдавать электроны, и очень длинного «хвоста». Последний состоит из 10 одинаковых групп, по 5 углеродных атомов в каждой. Эта повторяющаяся единица, называемая изопреноидной группой, служит также основной структурной единицей в молекулах каучука, стеринов и стероидов.

Все реакции биологического окисления происходят с участием ферментов, причем каждый фермент строго специфичен и катализирует либо окисление, либо восстановление вполне определенных химических соединений. При дегидрировании тот или иной фермент может отщеплять лишь определенные атомы водорода, занимающие определенное пространственное положение в молекуле.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.4 (37 votes)

Окисление молочной кислоты

Примером биологического окисления может служить окисление молочной кислоты (кислота, содержащаяся в простокваше) — важного промежуточного вещества в реакциях обмена; эта реакция катализируется лактатдегидрогеназой.

Окисление молочной кислоты представляет собой реакцию дегидрирования, в которой при помощи фермента от группировки , отщепляется два атома водорода. В ней, как и во всех других реакциях дегидрирования, электроны переносятся на первичный акцептор, которым в данном случае служит НАД+. Дегидрогеназа не может непосредственно действовать на продукт реакции дегидрирования — пировиноградную кислоту; в силу особенностей структуры этой кислоты ее молекула должна сперва определенным образом перестроиться под действием другого фермента. Поэтому пировиноградная кислота сначала подвергается декарбоксилированию, в процессе которого ее молекула теряет молекулу двуокиси углерода.

Вся двуокись углерода, которую мы выдыхаем, образуется в результате подобного декарбоксилирования. Ее источником в биологических системах служит только карбоксильная группа (— COOH). Продукт реакции декарбоксилирования — ацеталъдегид — содержит два атома углерода вместо трех; тем не менее структура его все еще остается «неудобной» для дегидрирования, поэтому ацетальдегид вступает в подготовительную реакцию, в результате которой возникает структура , «удобная» для процесса дегидрирования. Происходит особая реакция, в которой участвует большая и сложная молекула органического вещества, называемого коферментом A, сокращенно КоА — SH. В этом сокращенном обозначении SH (сульфгидрильная группа, состоящая из серы и водорода) соответствует активному концу, а КоА — всей остальной части этой сложной молекулы. При соединении кофермента A с ацетальдегидом получается комплекс, содержащий в себе структуру  которая может быть дегидрирована с образованием ацетилкофермента A.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.4 (16 votes)

Окисление янтарной кислоты

Примером дегидрирования другого типа, которому могут подвергаться молекулы, имеющие иную конфигурацию, служит окисление янтарной кислоты.

При дегидрировании молекул, содержащих группу  акцептором водорода и электронов служит флавин. Продукт этой реакции — фумаровая кислота — не может быть дегидрирован непосредственно, а вступает сначала в подготовительную реакцию, в которой к нему присоединяется молекула воды. В результате образуется яблочная кислота, имеющая группу , способную к дегидрированию при участии НАД+. Дегидрирование яблочной кислоты происходит под действием специфического фермента — малатдегидрогеназы, а продуктом реакции является щавелевоуксусная кислота. Эта кислота может участвовать в различных реакциях; в одной из них она подвергается декарбоксилированию с образованием пировиноградной кислоты. В дальнейшем путем описанных выше реакций из пировиноградной кислоты образуется ацетилкофермент А.

Для окисления углеводов, жиров и белков, происходящего в клетках, достаточно этих трех реакций: дегидрирования, декарбоксилирования и подготовительной реакции. В различных цепях реакций их последовательность может быть различной, как мы это видели в случаях окисления молочной и янтарной кислот. Все реакции дегидрирования — это, по определению, окислительные реакции, сопровождающиеся отнятием электронов. Так как электроны не могут сколько-нибудь долго существовать в свободном состоянии, они должны немедленно захватываться другими соединениями — акцепторами электронов.

Первичными акцепторами электронов в клетке служат пиридиннуклеотиды — никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+). Функциональной концевой группой этих пиридиннуклеотидов служит витамин никотинамид (амид никотиновой кислоты, ниацин).

Кольцо никотинамида получает два иона водорода и два электрона от молекулы, подвергнутой дегидрированию (например, молочной кислоты), и превращается в восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (НАД • Н), освобождая один протон.

НАД и НАДФ являются первичными акцепторами электронов и водорода в реакциях дегидрирования, в которых субстратами служат вещества с группой (например, при дегидрировании молочной или яблочной кислоты). Эти два пиридиннуклеотида отличаются друг от друга по числу фосфатных групп: НАД содержит две, а НАДФ — три фосфатные группы в концевой части молекулы, присоединенной к кольцу никотинамида. НАД называют также дифосфопиридиннуклеотидом (ДПН), а НАДФ — трифосфопиридиннуклеотидом (ТПН). Для большей части дегидрогеназ специфическими акцепторами водорода служат НАД или НАДФ, и эти ферменты неактивны по отношению к другим акцепторам. Некоторые ферменты менее специфичны в отношении акцепторов водорода, хотя все же особенно активны с одним определенным акцептором.

Другим первичным акцептором водорода служит флавинадениндинуклеотид (ФАД), участвующий в реакциях с веществами, в которых содержится группа  (например, в дегидрировании янтарной кислоты). В некоторых реакциях вместо ФАД участвует флавинмононуклеотид (ФМН), представляющий собой часть молекулы ФАД. ФАД, играющий роль кофермента сукцинатдегидрогеназы, очень тесно связан с белковой частью фермента и отщепляется от нее с трудом. Такой прочно связанный кофактор называют простетической группой фермента. Пиридиннуклеотид, участвующий в реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой, наоборот, связан с белком очень непрочно и легко отделяется от него. Такие непрочно связанные кофакторы называют коферментами.

Восстановленные пиридиннуклеотиды НАД • Н и НАДФ • H не могут реагировать с кислородом; их электроны должны пройти через промежуточные акцепторы системы переноса электронов (цитохромы), прежде чем они смогут быть переданы на кислород. Флавиновые первичные акцепторы обычно передают свои электроны системе, переносящей электроны. Однако некоторые флавопротеиды могут реагировать непосредственно с кислородом; при этом не возникает фосфатных связей (-Ф) и образуется перекись водорода H2O2. Фермент, способный непосредственно переносить электроны на кислород, называется оксидазой; фермент, участвующий в отнятии электронов от субстрата и переносе их на первичный или промежуточный акцептор, называется дегидрогеназой (например, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа или сукцинатдегидрогеназа).

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.1 (14 votes)

Цикл лимонной кислоты

Рассмотрим еще некоторые реакции с участием ацетилкофермента А (который не может подвергаться дегидрированию непосредственно); они распадаются на три типа: дегидрирование, декарбоксилирование и подготовительные реакции. Ацетилкофермент А подвергается подготовительной реакции, соединяясь с щавелевоуксусной кислотой, содержащей 4 атома углерода; в результате образуется лимонная кислота, содержащая 6 атомов углерода и свободный кофермент А.

Лимонная кислота не имеет ни группы , ни группы  и не может подвергаться дегидрированию. Две подготовительные реакции, связанные с отщеплением и присоединением одной молекулы воды, приводят к образованию изолимонной кислоты, которая может дегидрироваться по группе .

В данном случае акцептором водорода служит какой-либо пиридиннуклеотид, обычно НАДФ, а продуктом дегидрирования — щавелевоянтарная кислота. Она подвергается декарбоксилированию, превращаясь в α-кетоглутаровую кислоту.

Как видно из формулы α-кетоглутаровой кислоты, «нижняя» часть ее молекулы в точности соответствует молекуле пировиноградной кислоты, и поэтому α-кетоглутаровая кислота подвергается ряду реакций, сходных с реакциями, в которых участвует пировиноградная кислота. В результате дегидрирования, декарбоксилирования и подготовительной реакции с участием кофермента А α-кетоглутаровая кислота дает сукцинилкофермент.

Точно так же, как пировиноградная кислота превращается в КоА-производное кислоты, имеющей на один атом углерода меньше, α-кетоглутаровая кислота (5 атомов углерода) превращается в сукцинилкофермент А (4 атома углерода). В животных клетках превращение пировиноградной кислоты в ацетилкофермент А и превращение α-кетоглутаровой кислоты в сукцинилкофермент А — сложные процессы, в которых роль коферментов наряду с НАД и коферментом А играют тиаминпирофосфат (содержащий другой витамин — тиамин) и липоевая кислота.

Кофермент А соединяется с янтарной кислотой макроэргической (~S) связью, подобно тому как кофермент А соединяется с уксусной кислотой в ацетилкоферменте А. Энергия связи ацетилкофермента А используется в реакции присоединения ацетильной группы к щавелевоуксусной кислоте. Энергия ~S-связи сукцинилкофермента А может передаваться на макроэргическую фосфатную связь (~Ф) молекулы АТФ.

В результате реакции сукцинилкофермента А с неорганическим фосфатом образуются сукцинилфосфат и свободный кофермент А.

Фосфатная группа переносится затем на АДФ (через гуанозиндифосфат как промежуточный продукт) с образованием АТФ и свободной янтарной кислоты. Это пример образования макроэргической связи на уровне субстрата путем реакций, в которых не участвует система переноса электронов. Лишь небольшая часть макроэргических связей образуется путем таких реакций. Нормальные клетки в присутствии кислорода синтезируют большую часть содержащегося в них АТФ в процессе окислительного фосфорилирования с участием системы переноса электронов.

Мы рассматривали реакции, в которых янтарная кислота превращается в фумаровую, яблочную и щавелевоуксусную кислоты, завершая полный цикл превращений. Этот цикл реакций был впервые описан Кребсом, и его обычно называют циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. В этом цикле молекула, содержащая 2 атома углерода (уксусная кислота в форме ацетилкофермента А), реагирует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, содержащей 4 атома углерода, в результате чего образуется соединение с 6 атомами углерода — лимонная кислота. В процессе дегидрирования, декарбоксилирования и подготовительной реакции лимонная кислота вновь превращается в щавелевоуксусную, которая легко соединяется с другой молекулой ацетилкофермента А. В ходе этого цикла выделяются 2 молекулы С02, отщепляется 8 атомов водорода и образуется одна макроэргическая связь (~Ф) на уровне субстрата.

Цикл Кребса — это общий конечный путь, которым завершается обмен углеводов, жирных кислот и аминокислот. Все эти вещества включаются в цикл Кребса на том или другом его этапе. Например, пировиноградная кислота в результате ряда реакции превращается в ацетилкофермент А. Ацетилкофермент А может также образоваться из жирных кислот в результате ряда реакций, в которых длинные углеродные цепи расщепляются на фрагменты, содержащие по 2 атома углерода.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.9 (8 votes)

Гликолиз

Из углеродной цепи глюкозы, так же как и других углеводов, в результате метаболических реакций образуется ацетилкофермент А. В процессе гликолиза ряд последовательных реакций начинается (как и в случае расщепления жирных кислот) с «активации» глюкозы. Взаимодействие глюкозы с АТФ, в результате которого образуется глюкозо-6-фосфат и АДФ, катализируется ферментом гексокиназой. При этом переносится только концевая фосфатная группа аденозинтрифосфата и остается аденозиндифосфат (АДФ). После этой первой подготовительной реакции происходит еще ряд таких реакций, ведущих в конце концов к образованию группировки, которая способна к дегидрированию. Сначала происходит перестройка молекулы с образованием фруктозо-6-фосфата, а затем — перенос второй фосфатной группы с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (фруктоза с фосфатными группами при 1-м и 6-м атомах углерода) и АДФ. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется ферментом альдолазой на два трехуглеродных сахара: 3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат, которые могут превращаться друг в друга под влиянием фермента триозофосфатизомеразы.

3-Фосфоглицериновый альдегид реагирует с соединением, содержащим SH-группу. Но это не ацетилкофермент А. В данном случае SH-группа входит в состав аминокислоты, которая в свою очередь составляет часть молекулы фермента дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида. При соединении глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой образуется группировка , способная отдавать водород молекуле НАД.

Продукт этой реакции — фосфоглицериновая кислота, связанная с SH-группой фермента, — реагирует затем с неорганическим фосфатом, образуя 1,3-дифосфоглицериновую кислоту и свободный фермент с SH-группой. Фосфатная группа при первом углеродном атоме в цепи присоединена макроэргической связью и может реагировать с АДФ с образованием АТФ. АТФ, так же как и другой макроэргический фосфат — сукцинилфосфат, образуется на уровне субстрата. Другой продукт, 3-фосфоглицериновая кислота, превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, после чего происходит необычная реакция — образуется макроэргический фосфат, но не путем отщепления двух атомов водорода (дегидрирования), а путем отщепления молекулы воды (дегидратации).

Продукт этой реакции — фосфопировиноградная кислота — может отдавать свою фосфатную группу молекуле АДФ с образованием АТФ и свободной пировиноградной кислоты. Это вторая макроэргическая фосфатная связь, образовавшаяся на уровне субстрата при превращении глюкозы в пировиноградную кислоту. Из каждой молекулы глюкозы образуется по две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида (вторая — в результате превращения диоксиацетонфосфата), и, таким образом, в процессе превращения глюкозы в пировиноградную кислоту образуются четыре макроэргические связи. Однако две из них используются в самом этом процессе: одна — для превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат, а другая — для превращения фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат. Поэтому в конечном счете мы получаем две макроэргические связи. Затем из пировиноградной кислоты описанным ранее путем образуется ацетилкофермент А.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4.2 (5 votes)

Анаэробный гликолиз

В анаэробных условиях, в отсутствие кислорода, служащего конечным акцептором электронов, реакции переноса электронов прекращаются, как только все промежуточные акцепторы перейдут в восстановленное состояние, «приняв» все возможное количество электронов. Метаболизм глюкозы в этих условиях ведет к накоплению пировиноградной кислоты (поскольку из нее не может образоваться ацетилкофермент А), и пировиноградная кислота принимает атомы водорода от восстановленных пиридиннуклеотидов с образованием молочной кислоты и окисленного пиридиннуклеотида — НАД+; эту реакцию катализирует лактатдегидрогеназа, действующая «в обратном направлении». Окисленный пиридиннуклеотид может вновь акцептировать водород от 3-фосфоглицеринового альдегида и восстанавливаться до НАД · Н и Н+. Циклическое функционирование НАД в этих двух реакциях делает возможным использование глюкозы в анаэробных условиях; при этом накапливается молочная кислота.

При превращении глюкозы в молочную кислоту образуются в конечном итоге две макроэргические фосфатные связи, и таким путем клетки даже в отсутствие кислорода могут получать небольшое количество энергии. Когда молекула глюкозы просто расщепляется на две молекулы молочной кислоты, изменение свободной энергии (ΔG) равно 52 000 кал/моль. Однако при анаэробном гликолизе, когда ферментативное превращение глюкозы в молочную кислоту в конечном счете приводит к образованию двух молекул АТФ (в результате фосфорилирования АДФ) на каждую молекулу расщепленной глюкозы, уменьшение свободной энергии (ΔG) составляет всего лишь 38 000 кал/моль. Оставшиеся 14 000 кал сохраняются в двух молях образовавшегося АТФ (около 7000 кал на 1 моль АТФ).

Реакции анаэробного пути обмена глюкозы идентичны тем, которые происходят при аэробном ее обмене, за исключением последнего этапа — реакции с участием пировиноградной кислоты. В отсутствие кислорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту, которая и накапливается; при наличии же кислорода из пировиноградной кислоты образуется ацетилкофермент А, а затем — через цикл Кребса — двуокись углерода и вода.

В клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в ацетальдегид, который может принимать атомы водорода от восстановленного НАД с образованием НАД+ и этилового спирта. Если бы клетки нашего тела содержали тот же фермент, который имеется у дрожжей, мы могли бы при усиленной физической нагрузке превращать глюкозу в анаэробных условиях в пировиноградную кислоту и ацетальдегид, что приводило бы к образованию в клетках нашего тела этилового спирта и, вероятно, вызывало бы опьянение. Однако в клетках млекопитающих из пировиноградной кислоты образуется не свободный ацетальдегид, а — через ряд промежуточных продуктов — ацетилкофермент А.

При анаэробном гликолизе конечным акцептором водорода служит не кислород, а какое-нибудь другое вещество; в животных клетках это молочная кислота, у дрожжей — этиловый спирт, а у некоторых бактерий — бутиловый спирт или глицерин.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3 (9 votes)

Пентозофосфатный путь

В глюкозо-6-фосфате у первого атома углерода имеется группа , способная к дегидрированию. Катализирующий эту реакцию фермент — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа —требует в качестве акцептора водорода НАДФ. Подготовительная реакция — присоединение воды — приводит к образованию 6-фосфоглюконовой кислоты. Эта кислота может дегидрироваться (поскольку она имеет группу ) другим ферментом, также требующим НАДФ в качестве акцептора водорода. Продукт этой реакции подвергается декарбоксилированию с образованием пятиуглеродного сахара — рибулозо-5-фосфата, который играет очень важную роль в реакциях, связанных с фотосинтезом. Кроме того, он служит источником пятиуглеродных сахаров, входящих в состав нуклеиновых кислот.

В дальнейших реакциях происходят перестройки молекулы, во время которых 2 или 3 «верхних» атома углерода в молекуле переносятся как одно целое на молекулу другого сахара. С помощью таких реакций синтезируются сахара с 3, 4, 5, б и даже 7 атомами углерода. Эта серия реакций носит название пентозофосфатный путь и представляет собой еще один возможный (наряду с гликолизом) путь обмена глюкозы.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.1 (7 votes)

Окисление аминокислот

Процесс окисления аминокислот начинается с реакции дезаминирования, т. е. с отщепления аминогруппы; оставшаяся углеродная цепь подвергается дальнейшим превращениям и в конце концов вступает в цикл Кребса. Так, например, аминокислота аланин после дезаминирования дает пировиноградную кислоту, глутаминовая кислота — α-кетоглутаровую, а аспарагиновая — щавелевоуксусную.

Эти три аминокислоты вовлекаются в цикл Кребса непосредственно. Другие аминокислоты, помимо реакции дезаминирования, должны пройти еще несколько дополнительных реакций, прежде чем они смогут участвовать в цикле Кребса; однако так или иначе обмен всех аминокислот протекает по этому пути.

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.6 (21 голос)

Система переноса электронов

До сих пор мы рассматривали только те реакции, в которых электроны отщепляются от молекул субстрата и переносятся на первичные акцепторы — пиридиннуклеотид или флавин. Однако основными реакциями, приводящими к накоплению энергии в биологически доступной форме, служат реакции, связанные с переносом электронов по «электронному каскаду» — процессом, доставляющим энергию для реакций окислительного фосфорилирования. Электроны, поступающие в систему переноса электронов от НАД · Н, обладают сравнительно высокой энергией. Проходя по цепи ферментов, они теряют значительную долю этой энергии, причем отданная ими энергия частично сохраняется в форме АТФ.

Ферменты, участвующие в системе переноса электронов, локализованы в мембранах митохондрий; так как они непосредственно соприкасаются друг с другом, то весьма вероятно, что электроны движутся в твердой фазе, а не в жидкой, т. е. не между ферментами, находящимися в растворе.

Из ферментов цикла Кребса в мембранах митохондрий содержится только один фермент — сукцинатдегидрогеназа. Ферменты же, превращающие пировиноградную кислоту в ацетилкофермент А, а α-кетоглутаровую — в сукцинилкофермент А, по-видимому, находятся внутри митохондрий, в гранулах, различимых под электронным микроскопом.

Компоненты системы переноса электронов приводятся в порядке увеличения их окислительно-восстановительных потенциалов, которые образуют ряд от —0,32 В для пиридиннуклеотидов до + 0,81 В для кислорода. Однако неизвестно, должен ли каждый электрон на своем пути от пиридиннуклеотида до кислорода пройти через все промежуточные акцепторы или же он может пропустить некоторые из них. Вероятно, электрон должен пройти по крайней мере через три акцептора, так как на каждую пару электронов, прошедших от пиридиннуклеотида до кислорода, образуется по три макроэргические фосфатные связи.

Неизвестно также, расположены ли ферменты переноса электронов в мембранах митохондрий в определенном порядке, соответствующем последовательности перехода электронов от одного фермента к другому (т. е. в порядке, соответствующем изменению их окислительно-восстановительных потенциалов), или же ферменты просто находятся достаточно близко друг к другу и электроны могут переходить от одного фермента к другому, имеющему подходящий окислительно-восстановительный потенциал.

Интенсивность окислительного фосфорилирования измеряется скоростью, с которой неорганический фосфат превращается в АТФ при окислении НАД · Н или какого-нибудь другого вещества. Гомогенизируя клетки и разделяя затем субклеточные структуры центрифугированием, можно выделить митохондрии. Если сделать это достаточно осторожно, то выделенные из клетки митохондрии все еще способны осуществлять окислительное фосфорилирование. Более того, можно разрушить митохондрии ультразвуком и получить субмитохондриальные частицы, сохраняющие способность к окислительному фосфорилированию.

В таких очищенных системах окисление НАД · Н и поглощение кислорода происходит только в присутствии АДФ, служащего акцептором фосфатных групп, которые образуют макроэргические связи за счет энергии, освободившейся при переносе электронов. Перенос электронов тесно сопряжен с реакцией фосфорилирования и возможен только в том случае, если происходит эта реакция. Это в известном смысле позволяет избежать работы вхолостую: если образование макроэргических фосфатных связей невозможно, то переноса электронов не происходит.

Известно, что окисление тесно сопряжено с фосфорилированием и в неповрежденной клетке. Однако некоторые вещества, в частности гормон тироксин, могут «разобщать» эти два процесса (фосфорилирование и окисление), и тогда энергия потока электронов не накапливается в форме макроэргических фосфатных связей, а высвобождается в виде тепла. Детали механизма, при помощи которого неорганический фосфат превращается в системе переноса электронов в макроэргический фосфат, усиленно исследуются, но еще не вполне выяснены.

Путь электронов от пиридиннуклеотидов до кислорода, соответствующий перепаду потенциала на 1,13 В (от —0,32 до +0,81 В), при 100%-ном КПД процесса давал бы 52 000 кал на каждую пару электронов. Это можно вычислить по формуле ΔG = — nFΔE, где ΔG — изменение свободной энергии, n — число электронов (2), F — число Фарадея (23 040 кал) и ΔЕ — разность между окислительно-восстановительными потенциалами реагирующих веществ (1,13 В). Однако в экспериментальных условиях большинство клеток образует самое большее три макроэргические фосфатные связи на каждую пару электронов, переносимых с пиридиннуклеотида на кислород. Каждая макроэргическая фосфатная связь эквивалентна приблизительно 7000 кал; таким образом, три макроэргические фосфатные связи эквивалентны 21 000 кал. Исходя из этого можно определить эффективность системы переноса электронов; ее КПД составляет  т. е. около 40%.

Содержание АТФ в каждой клетке обычно невелико. Однако в мышечных клетках, при сокращении которых затрачивается большое количество энергии за короткий промежуток времени, содержится креатинфосфат, служащий дополнительным резервуаром макроэргических фосфатных связей. Концевая фосфатная группа АТФ переносится ферментом креатинкиназой на креатин с образованием креатинфосфата и АДФ. Фосфатная связь креатинфосфата — это тоже макроэргическая связь. Для того чтобы ее энергия могла быть использована в такой реакции, как мышечное сокращение, макроэргическая фосфатная связь креатинфосфата должна быть снова перенесена на АДФ, который при этом превращается в АТФ.

Тесная сопряженность процессов фосфорилирования и окисления в системе переноса электронов лежит в основе механизма, регулирующего скорость образования энергии в зависимости от скорости ее использования. В покоящейся мышечной клетке окислительное фосфорилирование продолжается до превращения всего АДФ в АТФ, а затем прекращается вследствие истощения запаса акцепторов макроэргических фосфатных связей. Окисление (т. е. перенос электронов и использование кислорода) тесно сопряжено с фосфорилированием, поэтому оно также прекращается.

При мышечном сокращении необходимую энергию доставляет отщепление от АТФ макроэргической концевой фосфатной группы:

АТФ —> АДФ + Фн + Энергия.
 

Поскольку образовавшийся АДФ может служить акцептором макроэргических связей, начинается реакция фосфорилирования и возникает поток электронов, направленный к кислороду. Оба процесса продолжаются до тех пор, пока весь АДФ не превратится в АТФ. Системы, служащие источником электрической энергии, имеют сходные регулирующие механизмы, соразмеряющие скорость выработки электроэнергии со скоростью ее потребления.

Интересные расчеты общих энергетических изменений, связанных с процессами обмена в человеческом организме, были выполнены Э. Боллом. В процессе превращения кислорода в воду участвуют наряду с атомами водорода и электроны. Общий поток их в организме человека можно приблизительно определить и выразить в амперах. Исходя из потребления кислорода организмом взрослого человека в состоянии покоя (264 см3/ мин), а также того факта, что каждый атом кислорода для образования молекулы воды требует двух атомов водорода и двух электронов, Болл подсчитал, что в каждую минуту во всех клетках тела с молекул усвоенных питательных веществ через дегидрогеназы и цитохромы на кислород переходит 2,86 · 1022 электронов, т. е. суммарная сила тока достигает 76 А. Это довольно внушительная величина; ведь через обычную лампочку 100 Вт проходит ток силой всего лишь около 1 А.

Переходу электронов с субстрата на кислород соответствует разность потенциалов 1,13 В (от —0,32 до + 0,81 В); вольты, помноженные на амперы, дают ватты, так что 1,13 · 76 = 85,9 Вт.

Общий расход энергии можно также определить по числу калорий, используемых за 1 мин (около 1,27 кал в состоянии покоя). Пользуясь надлежащими пересчетными коэффициентами, можно показать, что эта величина эквивалентна примерно 88 Вт, что удовлетворительно согласуется с величиной, вычисленной ранее.

Таким образом, мощность, потребляемая человеческим организмом, приблизительно равна мощности, потребляемой стоваттной электрической лампочкой; однако при этом в организме используются значительно большие токи при значительно меньших напряжениях.

Превращение глюкозы в двуокись углерода и воду в калориметре дает около 4 кал энергии на 1 г. Описывая последовательные этапы обмена глюкозы в клетках, мы отмечали, что освобожденная энергия запасается в макроэргических фосфатных связях, т. е. в такой форме, в которой она может легко использоваться для выполнения самых разных видов работы. Теперь мы можем расчленить суммарную реакцию

С6Н12O6 + 6O2 -> 6СO2 + 6Н2O + Энергия


на ряд этапов и посмотреть, где именно выделяется полезная энергия.

Отдельные этапы расщепления глюкозы

1. С6Н12O6 + 2~Ф ->2ПК +2НАД · Н + 4~Ф

2. 2ПК —> 2СO2 + 2Ацетил-КоА + 2НАД • Н

3. 2Ацетил-КоА --> 4СO2 + 6НАД · Н + 2Н2ФП + 2~Ф

4. С6Н12O6 -> 6СO2 + 10НА Д • Н + 2Н2ФП + 4~Ф

5. С6Н12О6 + 6O2 —> 6СO2 + 6Н2O + 30~Ф + 4~Ф + 4~Ф

При гликолизе (1-й этап) глюкоза активируется путем присоединения 2~Ф и затем превращается в 2ПК1) + 2НАД · Н + 4~Ф. После этого две молекулы пировиноградной кислоты расщепляются (2-й этап) до 2СO2 + 2 ацетил-КоА + 2НАД · Н. Наконец, в цикле лимонной кислоты (3-й этап) две молекулы ацетил-КоА расщепляются до 4СO2 + 6НАД · Н + 2Н2ФП2)+ 2~Ф.

Эти реакции можно суммировать (4-й этап), исключив вещества, фигурирующие и в правой и в левой частях уравнений. Окисление НАД · Н в системе переноса электронов дает 3 ~ Ф на 1 моль; следовательно, 10 НАД · Н эквивалентно 30 ~ Ф. Окисление Н2ФП дает 2 ~ Ф на 1 моль; таким образом, 2Н2ФП = 4 ~ Ф. Просуммировав, мы увидим, что полное аэробное расщепление 1 моля (180 г) глюкозы дает 38 ~ Ф (5-й этап). Каждая связь ~ Ф эквивалентна примерно 7000 кал, а 38 ~ Ф = 266 000 кал.

При сжигании 1 моля глюкозы в калориметре освобождается в виде тепла около 686 000 кал. При расщеплении глюкозы в клетках в форме, пригодной для использования (~Ф), освобождается 266 000/686 000, т. е. около 42 % всей энергии. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4.8 (4 голосов)

Молекулярная организация митохондрий

Изолированные митохондрии способны осуществлять весь комплекс реакций цикла лимонной кислоты, переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Форма митохондрий варьирует от почти сферической до продолговатой, но чаще всего это эллипсоидные частицы около 3 мкм в длину и несколько менее 1 мкм в поперечнике. Их можно видеть при сильном увеличении в обычный микроскоп, особенно на окрашенных срезах ткани, однако детали их внутренней структуры выявляются лишь при исследовании в электронном микроскопе. В некоторых крупных клетках, очень богатых митохондриями, например в цитоплазме гигантской амебы (Chaos chaos), число их достигает нескольких сотен тысяч, а в каждой клетке печени млекопитающих содержится в среднем около тысячи митохондрий. Белок митохондрий составляет около 20% всего белка клетки печени.

Каждая митохондрия имеет две мембраны: наружную, гладкую, и внутреннюю, образующую многочисленные складки — кристы, которые выступают в полость митохондрий. В некоторых митохондриях кристы перегораживают центральную полость от одной ее стенки до другой. Эта внутренняя мембрана имеет гораздо большую поверхность, чем наружная. Обе они представляют собой «элементарные мембраны», состоящие из двойного слоя липидных молекул, покрытого с каждой стороны слоем молекул белка. Жидкое содержимое центральной полости, стенки которого образует внутренняя мембрана, называется матриксом.

В матриксе в растворенном состоянии находятся ферменты цикла Кребса. Ферменты, образующие систему переноса электронов, прочно связаны с внутренней мембраной. Некоторые данные указывают на то, что ферменты дыхательной цепи, катализирующие последовательные реакции, по-видимому, действительно расположены в этой мембране друг подле друга. Каждая группа этих переносящих электроны ферментов, называемая дыхательным ансамблем, представляет собой одну из элементарных функциональных единиц на субклеточном уровне. По имеющимся оценкам, митохондрия клетки печени содержит около 15 000 дыхательных ансамблей и они составляют примерно четверть всей массы митохондриальных мембран. Таким образом, мембрана — это не просто защитная оболочка, а важный функциональный компонент митохондрии.

Электронные микрофотографии митохондрий, полученные при высоком разрешении, показали, что на внешней поверхности наружной мембраны и на внутренней поверхности внутренней мембраны находятся мельчайшие частицы. Частицы, прикрепленные к внутренней мембране, в типичных случаях состоят из сферической «головки», цилиндрической ножки и подставки. Эти частицы содержат дыхательные ансамбли, систему переноса электронов и ферменты окислительного фосфорилирования; возможно, что именно здесь протекают ферментативные реакции, осуществляемые митохондриями.

Очевидно, значительная часть биологически полезной энергии в форме АТФ генерируется ферментными системами, находящимися во внутренней мембране митохондрий. Однако большая часть энергии, используемой в клетке, нужна для процессов, протекающих вне митохондрий. АТФ используется при синтезе белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других сложных соединений, при переносе веществ через плазматическую мембрану, при проведении нервных импульсов и сокращении мышечных волокон. Все эти процессы осуществляются (всецело или главным образом) вне митохондрий — в других частях клетки. Пока еще не известно, каким образом макроэргические фосфатные связи, образующиеся внутри митохондрии, могут быть использованы за ее пределами, так как мембраны, подобные тем, из которых состоят стенки митохондрий, в большинстве случаев непроницаемы для таких крупных заряженных молекул, как АТФ.

В настоящее время биохимиков очень интересует еще одна проблема — вопрос о регулировании метаболической активности митохондрий. Клетка может содержать тысячу и более митохондрий, и деятельность каждой из них должна регулироваться таким образом, чтобы в каждый данный момент вырабатывалось столько энергии, сколько необходимо клетке. При переходе из активного состояния в состояние покоя скорость использования клеткой макроэргических фосфатных связей (~ Ф) может изменяться в поразительно широких пределах. Эта скорость была измерена в мышечных клетках лягушки; оказалось, что за 1 мин 100 г мышечной ткани используют в состоянии покоя 1,6 мкмоля ~ Ф, а в состоянии тетануса, т. е. непрерывного сокращения, 3300 мкмолей ~ Ф. Скорость синтеза АТФ в клетке в значительной степени регулируется скоростью его использования. Поток электронов в дыхательной цепи клетки тесно сопряжен с фосфорилированием, а окислительное фосфорилирование может происходить только при наличии АДФ, который мог бы превращаться в АТФ. Таким образом, создается система, в которой использование клеткой АТФ, приводящее к образованию АДФ, служит фактором, регулирующим скорость синтеза АТФ. Кроме того, концентрация АДФ влияет на структуру и биологическую активность некоторых ферментов, участвующих в окислении глюкозы. Повышение концентрации АДФ может вести к повышению активности этих ферментов и к увеличению скорости образования АТФ. Вопрос о природе и взаимоотношениях различных регулирующих систем такого рода становится сейчас одной из самых актуальных проблем биологии.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.5 (33 голосов)