Лекція 6. Окисне фос форилування. Контроль продукції АТФ

- Як регулюється окисне фосфорилування.
- Фактори, що визначають утворення АТФ при диханні
- Вільне дихання.
- Термогенез и дихання

Є п’ять рівнів регулювання окисного фосфорилювання:

- - пряма модуляція кінетичних параметрів ланцюгу електронного транспорту;
  - регулювання внутрішньої ефективністі окисного фосфорилювання (змінами в протон провідності, в мірі окисного фосфорилювання або утворення каналів ланцюга електронного транспорту проміжних субстратів);
  - динаміка мітохондріальних мереж (злиття, поділ, рухливість,
  - мембранні ліпіди, склад, набряк);
  - мітохондріальний біогенез і деградація; клітинне та мітохондріальнє мікросередовище.

Ефективність окисного фосфорилювання і стан дихання

Ефективність окисного фосфорилування залежить від надходження відновних еквівалентів в електрон-транспотний ланцюг і активності окремих ферментів або ферментних комплексів.

Оптимальна ефективність і коефіцієнт потоку визначаються контролем комплексу I (відображає інтегрований клітинний шлях) та комплексу II (шлях переважно трикарбонових кислот цикл).

Виснаження метаболітів циклу трикарбонових кислот відіграє важливу роль в управлінні потоком окисного фосфорилювання.

Для досягнення максимального дихання потрібні потік електронів і відновлення субстратів ЦТК. Окисне фосфорилування управляється також наявністю аденозин-5′-дифосфат для транспортеру аденін нуклеотид у внутрішньої мітохондріальної мембрані.

Комплекс I пропонується рахувати відповідальним за адаптивні зміни та ефективність окисного фосфорилювання в фізіологічних умовах. Стехіометрична ефективність окисного фосфорилювання визначається кількістю неорганічного фосфату (Pi), що включається в аденозин-5′-трифосфату на кисень, що споживається.

Окислення субстратів і фосфорилювання АДФ в мітохондріях міцно поєднані. Швидкість використання АТФ регулює швидкість потоку електронів в ЕТЛ. Якщо АТФ не використовується і його концентрація в клітинах зростає, то припиняється і потік електронів до кисню. З іншого боку, витрата АТФ і перетворення його в АДФ збільшує окислення субстратів і поглинання кисню. Залежність інтенсивності диханнямітохондрій від концентрації АДФ називають дихальним контролем.

Механізм дихального контролю характеризується високою точністю і має важливе значення, так як в результаті його дії швидкість синтезу АТФ відповідає потребам клітини в енергії. Запасів АТФ в клітині не існує. Відносні концентрації АТФ / АДФ у тканинах змінюються у вузьких межах, в той час як споживання енергії клітиною, тобто частота обертів циклу АТФ і АДФ, може змінюватися в десятки разів.

Загальний вміст АТФ в організмі 30-50 г, але кожна молекула АТФ в клітині «живе» менше хвилини. У добу у людини синтезується 40-60 кг АТФ і стільки ж розпадається. Збільшення концентрації АДФ негайно призводить до прискорення дихання і фосфорилювання.

Транспорт АТФ і АДФ через мембрани мітохондрій

У більшості еукаріотичних клітин синтез основної кількості АТФ відбувається всередині мітохондрії, а основні споживачі АТФ розташовані поза нею. З іншого боку, в матриксі мітохондрій повинна підтримуватися достатня концентрація АДФ. Ці заряджені молекули не можуть самостійно пройти через ліпідний шар мембран. Внутрішня мембрана непроникна для заряджених і гідрофільних речовин, але в ній міститься певна кількість транспортерів, вибірково переносять подібні молекули з цитозолю в матрикс і з матриксу в цитозоль.

У мембрані є білок АТФ / АДФ — антіпортер, здійснює перенесення цих метаболітів через мембрану. Молекула АДФ надходить в мітохондріальний матрикс тільки за умови виходу молекули АТФ з матриксу.

Рушійна сила такого обміну — мембранний потенціал перенесення електронів по ЕТЛ. Розрахунки показують, що на транспорт АТФ і АДФ витрачається близько чверті вільної енергії протонного потенціалу. Інші транспортери теж можуть використовувати енергію електрохімічного градієнта. Так переноситься всередину мітохондрії неорганічний фосфат, необхідний для синтезу АТФ. Безпосереднім джерелом вільної енергії для транспорту Са²⁺ в матрикс також служить протонний потенціал, а не енергія АТФ.

Роз’єднання дихання і фосфорилювання

Деякі хімічні речовини ( протонофори ) можуть переносити протони або інші іони (іонофори) з міжмембранного простору через мембрану в матрикс, минаючи протонні канали АТФ-синтази. В результаті цього зникає електрохімічний потенціал і припиняється синтез АТФ.

Це явище називають роз’єднанням дихання і фосфорилювання. В результатіроз’єднання кількість АТФ знижується, а АДФ збільшується. У цьому випадку швидкість окислення НАДH і ФАДH2 зростає, зростає і кількість поглиненого кисню, але енергія виділяється у вигляді теплоти, і коефіцієнт Р/О різко знижується. Як правило, роз’єднювачі — ліпофільні речовини, легко проходять через ліпідний шар мембрани. Одне з таких речовин — 2,4-динітрофенол, легко переходить з іонізованої форми в неіонізовану, приєднуючи протон в міжмембранному просторі і переносячи його в матрикс.

Прикладами роз’єднювачив можуть бути також деякі ліки, наприклад дикумарол — антикоагулянт або метаболіти, які утворюються в організмі, білірубін — продукт катаболізму гема, тироксин — гормон щитовидної залози.

Терморегуляторная функція ЕТЛ

На синтез молекул АТФ витрачається приблизно 40-45% всієї енергії електронів, які переносяться по ЕТЛ приблизно 25% витрачається на роботу з перенесення речовин через мембрану. Інша частина енергії розсіюється у вигляді теплоти і використовується теплокровними тваринами на підтримку температури тіла. Крім того, додаткова освіта теплоти може відбуватися при роз’єднання дихання і фосфорилювання. Роз’єднання окисного фосфорилювання може бути біологічно корисним. Воно дозволяє генерувати тепло для підтримки температури тіла у новонароджених, у зимнеспящих тварин і у всіх ссавців в процесі адаптації до холоду. У новонароджених, а також зимнеспящих тварин існує особлива тканина, що спеціалізується на теплопродукції шляхом роз’єднання дихання і фосфорилювання — бурий жир. Бурий жир містить багато мітохондрій. У мембрані мітохондрій є великий надлишок дихальних ферментів в порівнянні з АТФ-синтазою. Близько 10 % всіх білків припадає на так званий роз’єднувальний білок — термогенін. Бурий жир є у новонароджених, але його практично немає у дорослої людини. В останні роки з’явилися факти, що свідчать про існування в мітохондріях різних органів і тканин ссавців разобщающих білків,схожіх за своєю структурою на термогенін бурої жирової тканини. За своєю структурою термогенін близький до АТФ / АДФ — антіпортеру, але не здатний до транспорту нуклеотидів, хоча зберіг здатність переносити аніони жирних кислот, яки здатні раз’еднувати дихання та окисне фосфорилування.

На зовнішній стороні мембрани аніон жирної кислоти приєднує протон і в такому вигляді перетинає мембрану; на внутрішній стороні мембрани дисоціює, віддаючи протон в матрикс і тим самим знижує протонний градієнт. Утворений аніон повертається на зовнішню сторону мембрани за допомогою АТФ/АДФ — антіпортера.

При охолодженні стимулюється звільнення норадреналіну з закінчень симпатичних нервів. В результаті відбуваються активація ліпази в жировій тканині і мобілізація жиру з жирових депо. Утворені вільні жирні кислоти служать не тільки » паливом», а й найважливішим регулятором роз’єднання дихання і фосфорилювання.

Що таке P / O

Тобто cкільки АТФ зробе пара електронів, ящо пройде по ланцюгу? Прибутковість електронного транспортного ланцюгу 10 Н⁺ відкачується за пари електронів від НАДH до кисню 4 Н + возвертаються в матрик за 1АТФ в цитозолі 10/4 = 2,5 для електронів, що входять як НАДH. Для електронів, що входять як сукцинат (FADH2), близько 6 Н + закачується в пари електронів до кисню 6/4 = 1,5 для електронів, що входять як сукцинат.

Човники системи електронів –e

Найбільша кількість НАДH, що використовується в транспорті електронів, є цитозольний, але НАДН не перетинає внутрішню мембрану мітохондрій. Що робити?

Працює система переносників (трансферів), які фактично не переносячи НАДН, але переносять Н+.

Гліцерофосфатний трансфер зберігає електрони в гліцерин-3-Ф, який передає електрони на ФАД. Трансфер малат-аспартат використовує малат для перенесення електронів через мембрану Чистий вихід АТФ з глюкози.