Биологическое окисление

электронов и один или не-сколько протонов (последних всегда достаточно в любом водном растворе). Так, например, ½О2 + 2е + 2Н+  Н2О

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную ки-слотно-щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддер-живающий определенное «давление протонов» (рН), величина которого оп-ределяется константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электро-нам, т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать элек-троны и наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД+ (50:50) имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно вы-раженную способность НАДH отдавать электроны, тогда как редокс-потенциал смеси равных количеств Н2О и ½О2 составляет +820 мВ, что оз-начает сильную тенденцию 02 к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных дыха-тельных комлексов. Разность потенциалов между любыми_двумя перенос-чиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созда-нию электрохимического протонного градиента по мере прохождения элек-тронов по цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный ком-плекс дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном направлении, т. е. из матрикса наружу. Такая векторная организация мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов, не проходящих сквозь мембрану, которыми метили комплекс только с какой-нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы НАДН (т.е. при прохождений двух электронов через все три фер-ментных комплекса) образуется не более трех молекул АТФ. Если предпо-ложить, что обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез одной молекулы АТФ, можно будет заключить, что в среднем перенос одного электрона каждым комплексом сопровождается пе-ремещением полутора протонов (иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы перекачивают один протон, а другие - два протона). Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта электронов с перемещением про-тонов. Аллостерические изменения конформации белковой молекулы, свя-занные с транспортом электронов, могут в принципе сопровождаться «пере-качиванием» протонов, подобно тому как перемещаются протоны при обра-щении действия АТФ-синтетазы. При переносе каждого электрона хинон за-хватывает из водной среды протон, который затем отдает при высвобожде-нии электрона. Поскольку убихинон свободно передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b-с1 около ее наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному протону на каждый перенесен-ный электрон. С помощью более сложных моделей можно объяснить и пере-мещение комплексом b-c1 двух протонов на каждый электрон, предпо-ложив, что убихинон повторно проходит через комплекс b-c1 в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидаз-ному комплексу, по-видимому, не переносят протонов, и в этом случае транспорт электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

С 40-х годов известен ряд липофильных слабых кислот, способных дей-ствовать как разобщающие агенты, т.е. нарушать сопряжение транспорта электронов с синтезом АТФ. При добавлении к клеткам этих низкомолеку-лярных органических соединений митохондрии прекращают синтез АТФ, продолжая при этом поглощать кислород. В присутствии разобщающего агента, скорость транспорта электронов остается высокой, но протонный гра-диент не создается. Это простое объяснение этого эффекта: разобщающие агенты (например, динитрофенол, тироксин) действуют как переносчики Н+ (Н+-ионофоры) и открывают дополнительный путь - уже не через АТФ-синтетазу – для потока Н+ через внутреннюю митохондриальную мембра-ну.13, 2000

Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофе-нол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с су-ществованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного гради-ента на транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя элек-трохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента при-тормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс между изме-нением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транс-порте электронов.Величина электрохимического градиента влияет как на скорость, так и на направление переноса электронов, так же как и на направ-ление действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль - это лишь часть сложной системы взаимосвя-занных регуляторных механизмов с обратными связями, координирующей скорости гликолиза, расщепления жирных кислот, реакций цикла лимон-ной кислоты и транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения АТФ:AДФ - они возрастают, когда это отношением уменьша-ется в результате усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концен-трации ее субстратов, т. е. .AДФ и Фн, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции, тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит к ускорению транспорта электронов.[1,1994]

Митохондрии бурой жировой ткани – генераторы тепла.

Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Та-кого рода устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в состоянии тремора сокращаются и при отсутствии нагруз-ки, используя сократительные белки для гидролиза АТФ обычным для мы-шечных клеток образом и освобождая в виде тепла всю энергию, потенци-ально доступную при гидролизе АТФ. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно сопряженным окислительным фосфорили-рованием нормальных митохондрий. Если бы этот процесс мог быть разоб-щен, как это бывает в присутствии динитрофенола, он мог бы служить в ка-честве адекватного приспособления, производящего тепло; именно так это происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти митохондрий обладают обычной обратимой АТФазой, в них имеется также трансмембранная про-тонная транслоказа, посредством которой протоны могут возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТФазы. Если этот процесс достаточен для того, чтобы поддерживать окислительно-восстановительный потенциал водорода значительно ниже 200 мВ, синтез АТФ становится не-возможным и окислительный процесс протекает свободно, в результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.[2, 1994]

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций, проте-кающих в митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм аце-тильных групп и высвобождение водородных эквивалентов; при окисле-нии последних поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоА (активного ацетата), тиоэфира кофермента А.

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он являет-ся общим конечным путем окисления углеводов, белков и жиров, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращают-ся либо в ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения цикла. Цикл ли-монной кислоты играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, пе-реаминирования, дезаминирования и липогенеза, Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень - единственный орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает по-вреждение большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью. О жизненно важной роли цикла лимонной кислоты