Биоэнергетика

Механизм  сопряжения экзергонических и эндергонических  процессов, как правило, заключается  в синтезе в ходе экзергонической  реакции соединения с высоким  энергетическим потенциалом и последующем  включении этого нового соединения в эндергоническую реакцию, что  обеспечивает передачу свободной энергии  от экзергонической реакции к  эндергонической. В живых клетках  главным высокоэнергетическим промежуточным  продуктом служит АТФ.

Свободная энергия гидролиза АТФ и других органических фосфатов Стандартная свободная энергия гидролиза концевого фосфата АТФ составляет -30,5 кДж/моль. Эта величина разделяет все органические фосфаты на две группы. Если у фосфатов свободная энергия гидролиза меньше, чем у АТФ -

А + С = D+ E

G

Биоэнергетика занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.

Реакции, сопровождающиеся уменьшением свободной  энергии (∆G), называют экзергоническими. Такие реакции протекают самопроизвольно. Реакции, сопровождающиеся возрастанием свободной энергии, называют эндергоническими. Эти реакции будут протекать только при поступлении свободной энергии извне.

Сопряжение эндергонических  процессов с экзергоническими

На  практике эндергонический процесс  не может протекать изолированно. Т.е. он должен быть компонентом сопряженной  экзергонической/ эндергонической  системы, которая в целом является экзергонической. Катаболические превращения  обычно являются экзергоническими реакциями, тогда как анаболические - эндергоническими. Совокупность катаболических и анаболических  процессов и составляют метаболизм.

Жизненно  важные процессы - реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, активный транспорт - получают энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями.

Например, превращение метаболита А в метаболит  В сопровождается выделением свободной  энергии. Оно сопряжено с другой реакцией - превращением метаболита С  в метаболит Д, которое может  происходить лишь при поступлении  свободной энергии.

БИОЭНЕРГЕТИКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

это низкоэнергетические фосфаты, если же свободная энергия гидролиза у фосфатов больше, чем у АТФ - это высокоэнергетические фосфаты.

стандартная свободная энергия гидролиза некоторых органических фосфатов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Другими биологически важными соединениями, которые классифицируются как богатые энергией являются тиоловые эфиры, образуемые коферментом А (например, ацетил-КоА), S-аденозилметионин(SAM), УДФ-глюкоза, ЦДФ- холин, эфиры аминокислот, участвующих в синтезе белков (аа-тРНК) и т.д.

Роль высокоэнергетических фосфатов как “энергетической валюты” клетки

Среднее положение АТФ по величине стандартной свободной энергии гидролиза позволяет ему служить донором высокоэнергетического фосфата для соединений, имеющих меньшую, чем АТФ величину стандартной свободной энергии гидролиза. В то же время при наличии соответствующих ферментных систем АДФ может акцептировать высокоэнергетический фосфат (с образованием АТФ) от тех соединений, которые обладают большей величиной стандартной свободной энергии гидролиза. Т.о., цикл АДФ/АТФ связывает процессы, генерирующие высокоэнергетический фосфат, с процессами, потребляющими энергию высокоэнергетических фосфатов.

Понятие об энергетическом заряде клетки

Суммарная концентрация адениловых нуклеотидов в клетке постоянна, но относительные концентрации адениловых нуклеотидов могут изменяться вследствие их взаимопревращений. Во многих клетках концентрации АТФ, АДФ и АМФ относятся примерно как 100 : 10 : 1. Отсюда следует, что небольшие изменения концентрации АТФ могут приводить к значительным изменениям концентрации других нуклеотидов. Это имеет существенное значение, поскольку адениловые нуклеотиды способны выступать в роли аллостерических эффекторов и изменять активность ряда аллостерических ферментов энергетического обмена.

Для оценки влияния системы адениловых нуклеотидов на метаболические процессы пользуются величиной энергетического заряда клетки:

Если весь фонд адениловых нуклеотидов представлен только АТФ (максимум высокоэнергетических связей), то энергетический заряд равен единице. Если в клетке имеется только АМФ (высокоэнергетических связей нет), то энергетический заряд равен нулю. В большинстве клеток энергетический заряд равен 0,8-0,9, т.е. адениловая система клетки почти насыщена энергией. При уменьшении энергетического заряда скорость потребления кислорода и реакций общего пути катаболизма возрастает.

 

3

Механизмы образования  АТФ в клетке

Имеется два пути синтеза АТФ в клетке: 1) окислительноефосфорилированиеи 2) субстратное фосфорилирование.

Окислительноефосфорилирование является главным путем синтеза  АТФ из АДФ и Ф_н. С помощью этого механизма в клетках миокарда и скелетных мышц синтезируется около 90% АТФ. Реакция энергетически сопряжена с переносом электронов с восстановленных коферментов на кислород и требует наличия неповрежденной митохондриальной мембраны. Альтернативный путь синтеза АТФ из АДФ и Ф_н - субстратноефосфорилирование. В этом случае происходит перенос фосфата с высокоэнергетических фосфатов клетки на АДФ с образованием АТФ. Это происходит в ходе а) креатинкиназной реакции:

Креатинфосфат + АДФ → креатин + АТФ

и в ходе 2-х реакций гликолиза: б) фосфоглицераткиназной

1,3-Дифосфоглицерат + АДФ →3-фосфоглицерат + АТФ

и в) пируваткиназной

фосфоенолпируват + АДФ →пируват + АТФ

В этом случае механизм сопряжения не нуждается в наличии кислорода  и неповрежденной митохондриальной мембраны.

Цепь переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательная цепь

Окисление субстратов в процессе дыхания  можно представить как перенос  электронов и протонов от органических веществ на кислород:

S·H₂+ ˡ/2О2→S+ Н2О

Перенос электронов на кислород происходит при  участии системы переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий  и образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательную цепь. В состав ЦПЭ входят 4 ферментативных комплекса: НАДН-дегидрогеназа (I), сукцинатдегидрогеназа (II), Q·H₂-дегидрогеназа (III), цитохромоксидаза (IV), а также 2 низкомолекулярных переносчика: гидрофобная молекула кофермента Qи цитохром С - небольшой по размерам белок. Все компоненты ЦПЭ расположены в митохондриальной мембране в порядке возрастания редокс потенциала (окислительновосстановительного потенциала); самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от НАДН·Н⁺ на кислород, при этом происходит выделение энергии на каждом этапе ЦПЭ.

Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному  кислороду. Изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы  НАД⁺/НАДН к системе 0₂/Н₂0 составляет 1,1В.

 

Водород от первичных доноров (цитрат, 2-оксоглутарат, малат, пируват, глутамат) вводится в дыхательную цепь при участии НАД-зависимых дегидрогеназ (с образованием НАДН·Н⁺). С НАДН·Н⁺ водород поступает на I ферм.комплекс (НАДН-дегидрогеназу), который состоит из нескольких пептидных цепей и в качестве простетической группы содержит флавинмононуклеотид (ФМН):

НАДН·Н⁺ + Е₁(ФМН) → НАД⁺ + Е₁(ФМН-Н₂)

С ФМН·Н₂ электроны переносятся на ряд железосерных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле НАДН-дегидрогеназы. От железосерных белков электроны переносятся на кофермент на KoQ(убихинон) с образованием KoQ·H₂(убихинола).

KoQявляется митохондриальным липидом. Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи. У млекопитающих она содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q₁₀

Убихинон выполняет функцию сборщика, присоединяя электроны от НАДН-дегидрогеназы и других флавинзависимыхдегидрогеназ, в частности, от

сукцинатдегидрогеназы:

Е₁(ФМН·Н₂) + KoQ→ Е₁(ФМН) + KoQ·H₂

Поскольку содержание KoQзначительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи, считается, что он является подвижным компонентом ЦПЭ, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

 

Цитохромы - это электронпереносящие белки, молекула которых содержит в качестве простетической группы гем. Цитохромы дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала и обозначаются латинскими буквами: b,с₁ ,с, а и а₃

KoQ·Н₂-дегидрогеназа (комплекс III) состоит из двух типов цитохромаb(b₅₆₂ и b₅₆₆) и цитохромас₁.KoQ·Н₂-дегидрогеназа переносит электроны от KoQH₂на цитохром с. Внутри комплекса III электроны последовательно передаются от цитохромаbна FeS, с него на цитохром с₁,и затем на цитохром с.

Цитохром с - периферический водорастворимый мембранный белок, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков и молекулу гема, ковалентно связанную с полипетидом.

Терминальный цитохром а-а₃, называемый также цитохромоксидазой, осуществляет перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Цитохромоксидаза содержит медь и имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан кислород:

 

Хемиосмотическая гипотеза сопряжения окисления и фосфорилирования

Для объяснения механизма сопряжения окисления и фосфорилирования было выдвинуто несколько гипотез, из которых экспериментальное подтверждение получила только хемиосмотическая теория, предложенная Питером Митчеллом в 1961 году. Согласно этой теории первичным процессом в окислительномфосфорилировании является транслокация протонов (Н⁺) на наружную сторону внутренней митохондриальной мембраны. При этом предполагается, что мембрана непроницаема для ионов вообще и особенно для протонов, которые накапливаются на наружной стороне мембраны, создавая по обе стороны мембраны разность электрохимических потенциалов (∆μн⁺). Она складывается из химического потенциала (разность pH) и электрического потенциала. Разность электрохимических потенциалов обеспечивает действие локализованной в мембране АТФ-синтазы, которая в присутствии АДФ и Фн синтезирует АТФ.

Предполагается, что дыхательная цепь уложена в мембране в виде трех окислительно-восстановительных петель, каждая из которых состоит из переносчиков водорода и переносчиков электронов:

АТФ-синтаза по своей структуре похожа на гриб. При этом шляпка гриба, представляющая собой фосфорилирующие субъединицы (F₁-субъединица), ответственные за образование АТФ, находятся на поверхности внутренней мембраны, обращенной в матрикс. А ножка гриба представляет собой канальную

 

6

часть (F₀-субъединица) АТФ-синтазы, пронизывающей всю толщу внутренней мембраны. Электрохимический потенциал заставляет протоны двигаться с наружной поверхности внутрь, к F₁-субъединице, обладающей каталитической активностью, т.е. способностью катализировать образование АТФ из АДФ и Ф_н.

Коэффициент фосфорилирования

Оценка эффективности улавливания энергии интактными митохондриями показывает, что при окислении субстратов, идущем с участием НАД-зависимых дегидрогеназ и дыхательной цепи, происходит включение 3 молей неорганического фосфата в АДФ и образуется 3 моля АТФ на ˡ/2моля потребленного кислорода. Отношение P/О (коэффициент фосфорилирования) = 3. В то же время при окислении субстрата через флавопротеиновуюдегидрогеназу образуется только 2 моля АТФ, т.е. Р/О = 2.

Дыхательный контроль

Образующийся АТФ при участии АДФ/АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны в обмен на АДФ и попадает в цитозоль. Поэтому именно АДФ определяет скорость дыхания митохондрий. Это обусловлено тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены, т.е. функционирование дыхательной цепи не может осуществляться, если оно не сопровождается фосфорилированием АДФ. Зависимость скорости дыхания митохондрий от концентрации АДФ называется дыхательным контролем. Этот механизм регуляции имеет очень важное значение, т.к. в результате его действия скорость синтеза АТФ определяется потребностью клетки в энергии: при увеличении расходования АТФ в клеточных процессах увеличивается концентрация АДФ, а это автоматически ведет к ускорению дыхания и фосфорилирования.

Разобщение окисления и фосфорилирования

Некоторые вещества способны разобщать окисление и фосфорилирование. К таким веществам в частности относится 2,4-динитрофенол.

Это липофильное вещество легко диффундирует через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и т.о. может

переносить ионы водорода через мембрану в сторону их меньшей концентрации. Поэтому 2,4-динитрофенол уничтожает ∆μн⁺митохондриальной мембраны, а энергия рассеивается в форме теплоты. Потребление кислорода и окисление субстратов при этом продолжается, но синтез АТФ невозможен.

Ингибиторы тканевого дыхания