Очаги высвобождения энергии в биологическом окислении. Причины каскадообразного выделения энергии в электронотранспортной цепи. Регуляция биологического окисления.
Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование–синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, происходящий благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в процессе клеточного дыхания, т.е. сопряжение дыхания и фосфорилирования. В упрощенном виде сущность процесса передает следующее уравнение:
АДФ + Н3РО4 + энергия ® АТФ + Н2О.
Степень сопряжённости окисления и фосфорилирования в митохондриях характеризует коэффициент фосфорилирования (Р/О). Он равен отношению количества молекул неорганического фосфата (Н3РО4), перешедшего в АТФ, к количеству атомов потреблённого кислорода (О2).
Например, если донором водорода для дыхательной цепи является молекула НАДН, то электроны от донора (НАДН) к акцептору (кислород) проходят 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (I, III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 3 молекулы АТФ (3 АДФ + 3 Н3РО4 → 3 АТФ). Затрачивается 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 3/1 = 3.
Если донором водорода будет молекула ФАДН2, то электроны в дыхательной цепи проходят 2 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 2 молекулы АТФ (2 АДФ + 2 Н3РО4 → 2 АТФ). Затрачивается, как и в предыдущем случае, 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 2/1 = 2.
Более сложный пример расчёта коэффициента фосфорилирования – при окислении пирувата до конечных продуктов. В этом метаболическом пути происходит дегидрирование 4 субстратов (пирувата, изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) с образованием НАДН и одного субстрата (сукцината) с образованием ФАДН2. Восстановленные коферменты окисляются в дыхательной цепи, и в сопряжённых реакциях фосфорилирования образуется (4×3 АТФ + 1×2 АТФ)=14 молекул АТФ. Ещё 1 молекула АТФ (ГТФ) образуется в реакции субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-КоА. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы пирувата образуется 15 молекул АТФ (из них 14 - путём окислительного фосфорилирования).
Чтобы рассчитать количество потреблённого кислорода, нужно знать число реакций дегидрирования на данном участке метаболического пути. Для окисления каждой восстановленной формы кофермента необходим 1 атом кислорода. Следовательно, в нашем примере потребляется 5 атомов кислорода. Значение коэффициента Р/О будет равно 14/5 = 2,8.
На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин., если бы не было ее регенерации. Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК):
В норме ЭЗК = 0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости ее использования, адениловая система насыщена энергией. При ЭЗК < 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма. Если ЭЗК = 1, то процессы синтеза АТФ тормозятся и ускоряется ее использование.
Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью. Относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, тогда как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.
Микросомальное окисление.
Биологическое окисление, не сопряженное с запасанием энергии, называется свободным (несопряженным) окислением. На его долю приходится 5-10% кислорода, поступающего в организм. Оно протекает вне митохондрий, чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот процесс называют микросомальным окислением(микросомы – фрагменты ЭПС).
Одна из функций свободного окисления - превращение природных или неприродных субстратов, называемых ксенобиотиками
Свободное окисление проходит при участии оксигеназ. Оксигеназы - ферменты класса оксидоредуктаз; катализируют окисление субстратов путем включения в их молекулы одного атома кислорода (монооксигеназы) или двух атомов кислорода (диоксигеназы).
Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану. Мультиферментный комплекссостоит из трех компонентов: флавиновые дегидрогеназы, железосерный белок, цитохром Р450.
Цитохром Р450 – семейство ферментов, относящихся к гемопротеинам. Система цитохрома P450 участвует в окислении как эндогенных (стероиды, желчные кислоты, ненасыщенные жирные кислоты), так и экзогенных веществ - ксенобиотиков («ксено» - несовместимый, «биос» - жизнь) - лекарств, ядов, наркотиков.
В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восстановленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р450:
RH + O2 + НАДФН + Н+ ® ROH + НАДФ+ + Н2О.
Гироксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, облегчает последующую деструкцию и выведение из организма.
Регуляция активности микросомальной системы осуществляется на уровне транскрипции или посттранскрипционных изменений. Индукция синтеза позволяет увеличить количество ферментов в ответ на поступление или образование в организме веществ, выведение которых невозможно без участия системы микросомального окисления.