Биологическое окисление

дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых

других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-

ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2).

В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во

внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.

В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и

ферменты (-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость

в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю

мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности

внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные

эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-

восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на

матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-

дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где

она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного

механизма.[10,1993]

Этапы утилизации энергии питательных веществ.

Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который

протекает в три стадии, согласно следующей схеме:

Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.[1,1994]

На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные

субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на

жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый

пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием

ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2

образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются

дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных

атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии,

образует там ацетильную группу химически активного соединения

ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется

также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное

расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО2 и Н2О. Именно на этой

заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных

химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно

теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их

до Н2О и СО2, используется для осуществления энергетически невыгодной

реакции Фн + АДФ ( АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся

при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ

является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью

соответствует второму закону термодинамики.

Благодаря образованию АТФ энергия, первоначально извлеченная путем

окисления из углеводов и жиров, преобразуется в более удобную

концентрированную форму химической энергии. В растворе, находящемся во

внутриклеточном пространстве типичной клетки, имеется примерно 1 млрд.

молекул АТФ, гидролиз которых до АДФ и фосфата обеспечивает необходимой

энергией множество энергетически невыгодных реакций.

Самым важным этапом стадии 2 катаболизма является гликолиз –

последовательность реакций, приводящих к расщеплению глюкозы. При гликолизе

молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, превращается в 2 молекулы

пирувата, содержащие по 3 атома углерода каждая. Для такого превращения

требуется 9 последовательных ферментативных реакций, в которых происходит

образование ряда промежуточных фосфатсодержащих соединений. (см. рисунок

1.)

Логически рассуждая, последовательность реакций гликолиза можно разделить

на три этапа: 1) в реакциях 1-4 (см.рисунок 1) глюкоза превращается в

трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения

нужны две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гидролизе

АТФ); 2) в реакциях 5-6 альдегидная группа каждой молекулы глицеральдегид-3-

фосфата окисляется до карбоксильной, и выделяющаяся при этом энергия

расходуется на синтез АТФ из АДФ и Фн; 3) в реакциях 7-9 те две молекулы

фосфата, которые присоединились к сахару на первой стадии, переносятся

обратно на АДФ, в результате чего образуется АТФ и компенсируются затраты

АТФ на этапе 1.

Рисунок 1. Промежуточные продукты гликолиза.[1,1994]

Суммарный выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух молекул

АТФ (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5 и 6.

Таким образом, данные реакции имеют решающее значение для гликолиза. Эти

две реакции – единственные во всем процессе, в которых из Фн формируется

высокоэнергетическая фосфатная связь. Суммарным результатом этих двух

реакций является окисление сахарного альдегида в фосфоглицероловую кислоту,

перенос Фн на АДФ с образованием высокоэнергетической связи АТФ и

восстановления НАД+ до НАДН.

Для большинства клеток животных гликолиз предшествует стадии 3

катаболизма, т.к. образующаяся при гликолизе молочная кислота быстро

поступает в митохондрии, где окисляется до СО2 и Н2О. Тем не менее у

анаэробных организмов и тканей, способных работать в анаэробных условиях,

гликолиз может стать основным источником клеточного АТФ. В этих случаях

молекулы пирувата остаются в цитозоле и превращаются в лактат, который

затем выводится из клетки. Дельнейшее превращение пирувата в этих

энергодающих реакциях, называемых брожением, требуется для того, чтобы

полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реакции 5

гликолиза, и таким путем регенерировать НАД+, необходимый для дальнейшего

осуществления гликолиза.[1,1994]

Окислительное фосфорилирование.

Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать

значительную долю потенциальной свободной энергии окисления субстратов.

Возможное объяснение механизма окислительного фосфорилирования

предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных веществ (например,

амобарбитал) и ядов (цианид, окись углерода) подавляют окислительное

фосфорилирование, обычно с фатальными последствиями. Окислительное

фосфорилирование является столь жизненно важным процессом, что нарушение

его нормального хода несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему

обнаружено лишь небольшое количество генетических нарушений, затрагивающих

эту систему.

Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни

в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию НАДН и ФАДH2,

молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в

завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней

мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от

сжигания углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается

в форме высокоэнергетических электронов, переносимых НАДН и ФАДН.

Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в

дыхательной цепи. Taк как большое количество высвобождаемой энергии

используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТФ из AДФ и Фн,

эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием.

Синтез АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих в

дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса. Механизм этого

процесса, впервые предложенный в 1961 году, позволил разрешить проблему,

давно ставшую перед биологией клетки.

Раньше думали, что энергию для синтеза АТФ в дыхательной цепи

обеспечивает такой же механизм, как и при субстратном фосфорилировании:

предполагалось, что энергия окисления используется для образования

высокоэнергетической связи между фосфатной группой и каким-то промежуточным

соединением и, что превращение AДФ в АТФ осуществляется за счет энергии,

выделяемой при разрыве этой связи. Однако, несмотря на интенсивные поиски,

предполагаемый интермедиат не был обнаружен.

Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией

промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами

химическими («хеми...») и транспортными (осмотическими, от греческого osmos

- толчок, давление) - хемиосмотическое сопряжение.

Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 60-х годов, включала

четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Митохондриальная дыхательная цепь, находящаяся во внутренней

мембране, способна перемещать протоны; при прохождении электронов по

дыхательной цепи происходит «откачивание» Н+ из матрикса.

2. Митохондриальный АТФ-синтетазный комплекс тоже перемещает протоны

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10