ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ОБМІНУ РЕЧОВИН: КАТАБОЛІЗМ, АНАБОЛІЗМ

Біологічне окиснення. Енергетичний обмін. Субстратне і окисне фосфорилювання.

 

БІОЕНЕРГЕТИКА

Розділ біохімії, що займається питаннями перетворення і використання енергії у живих системах, називається біоенергетикою. Біоенергетика грунтується на процесах окиснення органічних речовин. Початки вивчення енергетичних процесів у живих організмах були закладені французьким ученим Лавуазьє ще в XVIII ст. Він уперше звернув увагу на подібність згорання органічних речовин поза організмом із процесом дихання в тварин. Оскільки при згоранні речовин утворюються СО₂ і Н₂О, а під час дихання виділяються такі ж речовини і певна кількість тепла, то Лавуазьє цілком логічно вважав, що дихання організму – процес з’єднання кисню повітря з вуглецем і воднем органічних речовин всередині тіла. Експерименти Лавуазьє, а також його висновки послужили основою для ствердження, що живі організми підпорядковуються першому принципу термодинаміки. Це означає, що спалювання цукру поза організмом (in vitro) і окиснення його в організмі (in vivo) можна зобразити у вигляді хімічної реакції:

                            С₆Н₁₂O₆ + 6 О₂®6 СО₂ + 6 Н₂О + тепло

Із цього часу в біології міцно закріпилось уявлення, що дихання в організмі (окиснення) за своєю суттю є процесом “горіння”, яке відбувається дуже повільно. Отже, поживні речовини, що потрапили в організм з їжею, є “паливом”, яке згорає в організмі шляхом приєднання кисню повітря. Разом з тим, було звернуто увагу на той факт, що повільне “го­ріння” органічних речовин в організмі істотно відрізняється від такого, що проходить поза організмом: по-перше, воно відбувається при низькій температурі, по-друге, – при відсутності полум’я і, по-третє, – за наявності води, вміст якої в тканинах досить високий.

Для пояснення перебігу окисних процесів в організмі (повільне горіння) були запропоновані гіпотези активації кисню в клітинах. Першу спробу пояснити механізм активації кисню в організмі здійснив Шенбайн (1860 р.), котрий спершу відкрив активний кисень – озон, що має здатність окиснювати речовини і при звичайній температурі. На цій підставі Шенбайн припустив, що в організмі під впливом легкоокиснювальних речовин відбувається розщеплення молекули кисню на два атоми озону, які легко окиснюють інші речовини. Одначе гіпотеза Шенбайна не була підтверджена експериментально. Значення праць Шенбайна тільки в тому, що вони стали початком наступних теорій активації кисню в організмі.

У 1897 р. була обгрунтована перша гіпотеза біологічного окиснення, названа гіпотезою перекисного (пероксидного) окиснення. Її запропонували одночасно російсько-український учений О.М. Бах та німецький ­Енглер. Ці автори вважали, що молекула кисню в тілі живого активується легкоокиснювальними речовинами, але за іншими механізмами, ніж це передбачав Шенбайн.

Припускалось, що в процесі активації кисню відбувається розрив не обох зв’язків, а тільки одного, і в подальшому окиснення відбувається шляхом приєднання до речовини всієї молекули кисню з утворенням молекули пероксиду:

                                                 

    Кисень у цій реакції приєднується до органічної речовини (позначеної буквою А), що має здатність до автоокиснення – оксигенази. Далі утворений пероксид віддає активований кисень субстратові окиснення за допомогою ферменту пероксидази:

                              

Таким чином, у процесі окиснення, за пероксидною гіпотезою, необхідно два ферменти – оксигеназа, яка активує кисень з утворенням пероксиду, та пероксидаза, яка окиснює речовину за допомогою пероксиду. Але пізніше було показано, що цей механізм є не головним, а тільки окремим випадком біологічного окиснення, і не має відношення до енергозабезпечення тканин. Такий тип окиснення органічних речовин має місце в ендоплазматичному ретикулумі печінки, і його призначення – зне­шкоджувати шляхом окиснення токсичні речовини.

Ідею про активацію кисню в процесі біологічного окиснення продовжив і значно розвинув знаменитий німецький учений О. Варбург. Він розробив вчення, згідно з яким активація кисню є ключовою ланкою в біологічному окисненні, результатом якого є з’єднання кисню і водню з утворенням води. Варбургу належить також відкриття гем­вмісного ферменту – цитохромоксидази, що активує кисень у процесі біологічного окиснення, він же вперше сконструював апарат для вивчення тканинного дихання, названий його іменем.

Треба зазначити, що одночасно з відкриттям цитохромоксидази були відкриті ферменти дегідрогенази, які здатні відщеплювати від субстратів атоми водню і цим самим окиснювати їх. Була запропонована нова гіпотеза біологічного окиснення, згідно з якою визначальна роль відводилась процесам дегідрування субстратів (відщеплення атомів водню). Цю ідею відстоювали Паладін, Віланд, Тунберг та ін. Тільки з відкриттям у 1933 р. Кейліним цитохромів, які виявились проміжними переносниками електронів від водню до кисню, були узгоджені оксидазна концепція Варбурга з дегідрогеназною Паладіна, Віланда. Це означало, що як активація атомів водню в субстраті за допомогою дегід­рогеназ, так і активація кисню за участю цитохромоксидази є необхід­ними складовими ланками біологічного окиснення, яке відбувається в тканинах організму. Таким чином, теорія біологічного окиснення, вперше запропонована у XVIII ст. Лавуазьє як процес повільного горіння, що призводить до утворення СО₂, Н₂О і енергії, була завершена тільки в XX ст. В опрацюванні її брали участь також Кейлін, Кребс, Мітчел, Ленінджер, Чанс, Рекер, Беліцер, Енгельгардт та ін. Цими ж авторами було доведено, що окиснення субстратів до СО₂ і Н₂О з виділенням енергії відбувається в різних тканинах організму, тому біологічне окиснення називають ще тканинним або клітинним диханням. Основним місцем у клітині, де завершується окиснення субстратів та виділяється енергія, є мітохондрії, тому їх назвали енергетичними станціями клітини. В мітохондріях відбувається не тільки окиснення субстратів шляхом відщеплення атомів водню і перенесення останніх на кисень, але й одночасне перетворення та запасання енергії у хімічній формі в так званих макроергічних зв’язках аденозинтрифосфату (АТФ).

Із викладеного зробимо висновок, що біологічне окиснення каталі­зується ферментами і може відбуватися такими шляхами:

1) приєднання кисню до субстрату окиснення;

2) відщеплення водню від субстрату (дегідрування);

3) відщеплення електронів.

 

Але в клітинах, крім енергозабезпечувального окиснення, яке називається тканинним диханням, існує ще декілька різновидів його, призначення яких інше.

Поруч із терміном “енергетичний обмін” часто використовують терміни “тканинне дихання” й “біологічне окиснення”. Значення цих термінів збігаються лише частково. Тканинне дихання вказує на поглинання кисню й виділення вуглекислого газу. Під енергетичним обміном розуміють перетворення енергії харчових речовин в енергію АТФ або в інші форми хімічної енергії (НАДФН, НАДН, Н⁺) і використання цих форм енергії для виконання роботи. Назва біологічного окиснення іноді вживається в тому ж значенні, що й тканинне дихання. Але частіше під біологічним окисненням розуміють усю суму окисно-відновних процесів, що відбуваються в клітинах організму. Біоенергетика включає 3 вузлові питання:

1) джерела енергії;

2) способи перетворення і нагромадження енергії;

3) шляхи використання енергії.

Першоджерело енергії на Землі – світлова енергія Сонця. Автотрофні організми (зелені рослини), поглинаючи світлову енергію, перетворюють її у процесі фотосинтезу в потенційну енергію хімічних зв’язків синтезованих органічних речовин. Зелені рослини земної кулі за рік утворюють близько 100 млрд т органічних речовин, у яких міститься близько 1,8•10¹⁸ кДж енергії. При цьому вони вбирають близько 1,7•10⁸ т СО₂, виділяють близько 11,5•10⁷ т О₂. Гетеротрофні організми, зокрема люди, використовують енергію, що виділяється в процесі окиснення органічних речовин, тобто вуглеводів, жирів, білків їжі. У дорослої людини за добу звільняється 8000-12000 кДж енергії, яка використовується клітинами організму для виконання різного виду роботи, а також для підтримки температури тіла.

Які механізми процесів перетворень енергії в живих організмах? У загальних рисах усі енергетичні перетворення підпорядковуються І і ІІ законам термодинаміки. Це означає, що енергія не створюється з нічого і не зникає, а перетворюється в еквівалентних кількостях з одного виду в інший, за ІІ принципом термодинаміки – всяка робота супроводжується витрачанням енергії та зменшенням градієнтів. Але не всяка енергія здатна на роботу. Якщо будь-яка органічна речовина згоряє у калориметрі, вона звільняє тепло. Проте тепло не може бути істотним джерелом енергії для живих організмів. Воно служить живим організмам тільки для підтримки оптимальної температури тіла.

Теплота згоряння органічних речовин, або тепловміст, ентальпія (Н) складається із двох частин. Та частина повної енергії згоряння, що може бути використана для виконання роботи, називається вільною енергією (енергією Гібса). А ту частину енергії хімічного процесу, що не може перетворюватись у роботу, називають зв’язаною енергією і виражають добутком Т•S, де Т – абсолютна температура, S – ентропія. Ентропія характеризує ступінь неупорядкованості системи та міру розсіювання енергії у вигляді тепла (Q):

 Живі організми високоорганізовані, тому їх ентропія невелика. Вони зберігають цей низькоентропійний стан за рахунок підвищення ентропії зовнішнього середовища.

Основне рівняння, яке зв’язує ентальпію, вільну енергію й ентропію, має вигляд: G = Н – Т •S. Зміна вільної енергії у ході реакції АВ при постійних температурах і тиску виражається формулою

Ця величина служить для оцінки напрямку перебігу реакцій. Якщо ∆G від’ємна, то вільна енергія, що міститься в речовині В, менша, ніж вільна енергія речовини А, тобто вільна енергія зменшується, ­виділяється в ході реакції. Такі реакції можуть перебігати самовільно і називаються екзергонічними. Вони термодинамічно вигідні, бо здійснюється перехід від нестійкого стану з високою хімічною енергією до більш стійкого стану з меншою хімічною енергією. І навпаки, якщо ∆G – додатна величина, тобто вільна енергія зростає (у речовині В більша, ніж у А), то реакція не може відбуватися без використання енергії ззовні, і таку реакцію називають ендергонічною. Ендергонічні реакції можуть бути здійснені тільки при поєднанні з екзергонічними реакціями. Для такого поєднання необхідно, щоб обидві реакції мали якусь спільну проміжну сполуку. Найчастіше зв’язувальним агентом виступає АТФ. Якщо б ­екзергонічні реакції перебігали самі по собі, то хімічна енергія, що звільняється, втрачалась би у вигляді теплової. Тому в живому організмі з екзергонічними реакціями окиснення органічних речовин у процесі ­катаболізму спряжені реакції ендергонічні, синтезу АТФ із АДФ і неорганічного фосфату (рис.):

У свою чергу енергія гідролізу АТФ використовується клітинами для виконання всіх відомих ендергонічних процесів:

 1) реакцій синтезу вуглеводів, ліпідів, білків, нуклеїнових кислот;

 2) механічної роботи, наприклад скорочення м’язів, руху хромосом при мітозі;

 3) активного перенесення речовин через мембрани проти градієнта концентрації;

 4) забезпечення точної передачі генетичної інформації;

 5) електричної роботи – проведення нервового імпульсу.

Отже, АТФ виступає як переносник хімічної енергії, який зв’язує клітинні процеси, що супроводжуються виділенням енергії, з тими головними видами клітинної активності, в яких енергія споживається.

 

МАКРОЕРГІЧНІ СПОЛУКИ

 

АТФ відноситься до сполук, що містять макроергічні зв’язки, тобто багаті енергією. Зазначимо відмінність поняття “багатий енергією зв’язок” у біохімії від поняття “енергія зв’язку” у хімії. Під останнім поняттям у хімії розуміють енергію, необхідну для розриву зв’язку між двома атомами в молекулі (для розриву макроергічних зв’язків також потрібно затратити енергію). Розглядаючи в біохімії високоенергетичні та низькоенергетичні зв’язки і сполуки, енергію зв’язку визначають як вільну енергію, що виділяється при гідролітичному розпаді даної сполуки.

У реакції АТФ + Н₂О ® АДФ + Ф_н зміна вільної енергії дорівнює 34,5 кДж/моль. Зміни для інших реакцій гідролізу АТФ, АДФ і АМФ складають:

           

Зв’язок вважається високоенергетичним, якщо при гідролізі його звільняється більше 21 кДж (за іншими джерелами – 30 кДж/моль). Таким чином, у молекулі АТФ є два макроергічних зв’язки, які характеризуються величиною вільної енергії 28-37 кДж/моль. Макроергічний зв’язок містить і АДФ, але при його гідролізі до АМФ і Ф_н енергія вилучається у вигляді тепла.

Формула АТФ із макроергічними зв’язками:

Зазначимо, що в різних джерелах наводяться різні значення G гідролізу АТФ. Це пояснюється тим, що реальне значення вільної енергії гідролізу АТФ (та інших сполук) залежить від концентрації АТФ, АДФ, АМФ, Фн, іонів Мg²⁺, величин рН і температури. При стандартних умовах (рН 7,0; температура 25 °С; концентрація АТФ, АДФ і Ф_н рівні 1 М; надлишок іонів Мg²⁺) G дорівнює 34,5 кДж/моль. Але у клітинах концентрації АТФ, АДФ, Ф_н набагато менші 1М, не однакові між собою та різні для різних клітин. Крім того, рН також якоюсь мірою відрізняється від стандартного 7,0. Тому справжнє значення зміни вільної енергії при гідролізі АТФ у фізіологічних умовах перевищує зміну стандартної вільної енергії (34,5 кДж/моль) і коливається у межах 40-60 кДж/моль (у середньому 50 кДж/моль).

Величини ∆G для гідролізу ряду інших сполук, зокрема ангідридів фосфорної кислоти, наведені у табл.

Зазначимо, що ряд високоенергетичних сполук мають більшу вільну енергію гідролізу, ніж АТФ. Наприклад, фосфоенолпіруват або 1,3-дифосфогліцерат, що утворюються при розщепленні глюкози до лактату. Але ці сполуки (надвисокоенергетичні) під дією специфічних кіназ можуть передавати свої фосфатні групи тільки на АДФ, що призводить до утворення АТФ, і не можуть служити джерелом енергії для інших сполук. Проміжне значення ∆G для АТФ дуже важливе для забезпечення функції її як посередника “біохімічної енергетичної валюти”. Рівноцінні з АТФ інші нуклеозидтрифосфати (ГТФ, УТФ, ЦТФ, ТТФ).

Чому при гідролізі АТФ та інших макроергічних сполук виділяється значно більше енергії, ніж, наприклад, при гідролізі глюкозофосфатів? Це зумовлено властивостями всієї структури макроергічної сполуки, а не тільки зв’язком, при гідролітичному розриві якого виділяється вільна енергія. Існує ряд факторів, які вносять свій вклад у процес звільнення великої кількості вільної енергії при гідролізі макроергічних зв’язків:

1) електростатичне відштовхування. При рН 7,0 у молекулі АТФ всі чотири групи ОН зв’язані з фосфором і несуть негативні заряди (АТФ^4‑). Відштовхування однойменних зарядів призводить до електростатичної напруги у всій молекулі, особливо зв’язку Р-О-Р. Коли зв’язок розривається, електростатична напруга знімається за рахунок просторового роз’єднання негативно заряджених продуктів гідролізу АДФ^3- і НРО₄^2-;

2) фактор конкурентного резонансу. Два продукти гідролізу, АДФ^3- і НРО₄^2-, є резонансними гібридами, тобто такими структурними формами, що мають підвищену стійкість, бо частина їх електронів перебуває в конфігураціях з нижчими енергетичними рівнями, порівняно з АТФ;

3) виділення протонів. Сумарне рівняння гідролізу АТФ має такий вигляд:

          АТФ ^4- + Н₂О ® АДФ^3- + НРО₄^2- + Н⁺

Зв’язування цього протона з буферним середовищем (рН 7,0) ­зсуває реакцію вправо, що вносить вклад у зміну вільної енергії.

При гідролізі низькоенергетичних фосфатів ці фактори незначні або взагалі не спостерігаються.

 

Інтенсивність оновлення АТФ в організмі

Яка кількість АТФ синтезується і розпадається за добу? Доросла здорова людина масою 70 кг при сидячій роботі повинна споживати за день їжі калорійністю близько 12 000 кДж. Харчові продукти роз­щеплю­ються у процесі метаболізму, а вільна енергія, що звільняється при цьому, використовується для синтезу АТФ, який далі витрачається на виконання хімічної, механічної, осмотичної й електричної робіт. Ефектив­ність перетворення енергії харчових продуктів у енергію АТФ дорівнює приблизно 50 %. Враховуючи, що при гідролізі АТФ у фізіологічних умовах звільняється 50 кДж/моль вільної енергії, можна визна­чити кількість АТФ, яка утилізується за добу. Але в організмі людини міститься всього близько 50 г АТФ, тому ця кількість АТФ характеризує не загальну масу АТФ, а швидкість обороту АТФ-АДФ. Розраховано, що кожна молекула АТФ розпадається і знову регенерується 2,5 тисячі разів за добу, так що середня трива­лість її життя менша 1 хв. Синтез АТФ із АДФ і Ф_н здійснюється двома шляхами – окиснювальним фосфорилюванням і субстратним фосфорилюванням. У більшості клітин головним процесом є окиснювальне фосфорилювання.

Хімічна енергія органічних речовин їжі (вуглеводів, жирів, білків) перетворюється в енергію макроергічних зв’язків АТФ у процесі тканинного (клітинного) дихання. Суть його зводиться до окиснювального розщеплення молекул органічних речовин, що супроводжується спожи­ванням О₂ з виділенням Н₂О і СО₂ і звільненням енергії. На першому і другому етапах катаболізму вуглеводів, жирів і білків звільняється невелика кількість енергії, відповідно близько 1 і 10 %, причому на першому етапі вона розсіюється у вигляді тепла, а на другому частково використовується для синтезу АТФ (у процесі субстратного фосфорилювання під час гліколізу).

Основна маса енергії звільняється на третьому етапі окиснення поживних речовин, що реалізується у мітохондріях і включає реакції циклу лимонної кислоти (циклу Кребса) та ланцюг перенесення електронів і протонів на кисень (дихальний ланцюг). У циклі лимонної кислоти вуглецеві атоми субстратів окиснюються і звільняються у вигляді СО₂.

Окиснення вуглецю відбувається за рахунок кисню самих субстратів і кисню води. Атоми водню (електрони і прото­ни) відриваються від субстратів і переносяться компонентами дихального ланцюга на молекулярний кисень, відновлюючи його до води. Вільна енергія, що звільняється в дихальному ланцюгу під час електрон­ного перенесення, використовується для синтезу АТФ із АДФ і Ф_н шляхом окиснювального фосфорилювання.

Таким чином, процес біологічного окиснення субстратів – проміжних продуктів метаболізму вуглеводів, жирів і амінокислот – відбувається не за рахунок приєднання атомів кисню до молекули речовини, а шляхом відщеплення атомів водню (дегідрування) і багатоетапного перенесення електронів і протонів на молекулярний кисень. Зазначимо, що в організмі мають місце і реакції окиснення субстратів, коли атоми кисню включаються у молекулу субстрату або коли субстрат реагує безпосередньо з О₂. Але при таких реакціях неможливий синтез АТФ. Енергія окиснення при цьому використовується для знешкодження токсичних або біосинтезу нових речовин.

Ферменти, які каталізують окиснення субстратів шляхом дегідрування, називаються дегідрогеназами. Розрізняють дві групи дегідрогеназ: нікотинаміддинуклеотидні (піридинові) і флавінові. Окиснення більшості субстратів каталізують ферменти першої групи.

 

Нікотинамідні дегідрогенази

Це складні ферменти, коферментом яких є нікотинамід-аденінди­нук­­леотид (НАД) чи нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ). Білко­вий компонент дегідрогеназ надає їм субстратної специфічності, а кофер­мент служить акцептором водню. НАД і НАДФ – це коферментні фор­ми вітаміну РР-нікотинаміду. Будова НАД і НАДФ показана на рис.

Два нуклеотиди з’єднані залишками фосфорної кислоти, на відміну від міжнуклеотидного зв’язку в нуклеїнових кислотах (3^I,5^I-фосфодіефір­ного). Азотною основою в одному нуклеотиді є аденін, а в другому – ніко­тин­амід. НАДФ містить додаткову фосфатну групу при С2 рибозного залишку, зв’язаного з аденіном.

Нікотинаміддинуклеотидні дегідрогенази каталізують зворотні реакції, які в загальному вигляді можуть бути записані так:

НАД⁺ і НАДФ⁺ – це окиснені форми коферментів, в яких позитивний заряд несе атом азоту піридинового кільця нікотинаміду. НАДН і НАДФН – відновлені форми. Піридинове кільце нікотинаміду є тією частиною НАД (Ф), яка бере участь у переносі водню:

Як видно зі схеми, субстрат втрачає два атоми водню, тобто 2 протони, 2 електрони, але на кофермент переносяться 2 електрони і 1 протон, а другий протон переходить у середовище. Таким чином, кофермент отримує два відновні еквіваленти: один із них у формі атома водню приєднується до четвертого вуглецевого атома нікотинамідного кільця, а другий у формі електрона передається азоту цього кільця. У результаті відновлена форма коферменту втрачає позитивний заряд. Зазначимо, що, хоч у дійсності на кофермент переносяться гідрид-іон Н^– (протон і 2 електрони), НАД⁺ (НАДФ⁺) називають частіше акцептором електронів, а іноді й акцептором  водню.

Нікотинаміддинуклеотиди знаходяться у дисоційованій формі і зв’язуються з апоферментом тільки в ході реакції. Відновлені коферменти, відділившись від дегідрогеназ, знову окиснюються шляхом перенесення електронів до акцептора, зв’язаного з іншим ферментом. При цьому НАДН і НАДФН по-різному використовуються у метаболізмі. Більша частина клітинних дегідрогеназ переносить водневі атоми від субстра­тів на НАД⁺, а відновлений НАДН передає електрони на дихальний ­ланцюг. Енергія, що звільняється при передачі електронів у дихальному ланцюгу, запасається у формі АТФ. Компоненти дихального ланцюга вмонтовані у внутрішній мембрані мітохондрій, і більшість НАД-залеж­них дегідрогеназ локалізовані у матриксі мітохондрій. НАДФ-залежні дегідрогенази знаходяться у цитоплазмі і мітохондріях, але НАДФН не від­дає електрони на дихальний ланцюг, а використовується як відновник у процесах синтезу багатьох сполук, зокрема жирних кислот, стероїдів.

 

Флавінові дегідрогенази

За структурою ця група ферментів є складними білками, флаво­протеїнами. Як простетичну групу вони містять одне із двох похідних віта­міну В₂ (рибофлавіну): ФМН (флавінмононуклеотид) чи ФАД (флавінаденіндинуклеотид).

R – залишок рибітолфосфату у ФМН, у ФАД він зв’язується з адені­ловою кислотою.

На противагу нікотинамідним коферментам, ФМН і ФАД міцно зв’язані з білком.

Флавінові дегідрогенази каталізують реакцію дегідрування субстратів. Приєднання двох атомів водню перетворює окиснену форму коферментів (ФМН чи ФАД) у відновлену (ФМНН₂ чи ФАДН₂). Активною частиною флавінових коферментів є ізоалоксазинова циклічна система. Обидва атоми водню (тобто 2 електрони і 2 протони) приєднуються до атомів азоту ізоалоксазинового кільця.

Таким чином, флавінові коферменти зв’язують обидва протони, тоді як нікотинамідні коферменти, як розглянуто вище, зв’язують 1 протон, а другий залишається у середовищі.

ФМН служить простетичною групою ферменту НАДН-дегідрогенази. Цей фермент, що знаходиться у внутрішній мембрані мітохондрій, окиснює НАДН:

                                  

Флавінові ферменти з простетичною групою ФАД каталізують відрив атомів водню від молекул субстратів, тобто є первинними ­дегідрогеназами:

                                              

До них відносяться сукцинатдегідрогеназа, яка каталізує окиснення бурштинової кислоти у фумарову, ацил–КоА–дегідрогеназа та ряд інших ферментів.

 

Убіхінон

 Після дегідрування субстратів флавіновими дегідрогеназами відновлені простетичні групи (ФМНН₂ і ФАДН₂) передають водень на наступний компонент дихального ланцюга – убіхінон.

Назва убіхінон відображає повсюдну поширеність цього переносника в природі. Убіхінон називають ще коензимом Q, хоча він не є складовим компонентом жодного з ферментів.

Убіхінон розчинний у ліпідах і локалізований у внутрішній мембрані мітохондрій. Поки що невідомо, чи необхідне для його активності зв’язування з яким-небудь мембранним білком. Із відновленого убіхінону далі по дихальному ланцюгу переносяться лише електрони, а протони переходять у середовище.

 

Цитохроми

Перенесення електронів від убіхінону на молекулярний кисень здійс­нюють цитохроми – складні білки, що містять білок і гемову групу, по­дібну до гему гемоглобіну.

У природі відомо близько 25 – 30 різних цито­хромів, що за спектрами поглинання розділяються на групи а, b, с. Дихальний ланцюг мітохондрій містить цитохроми b, с₁, с і а, а₃, що розміщені саме в такій послідовності. Атом заліза у гемі цитохромів може  приєднувати та віддавати один електрон (Fe³⁺ ± 1е^–  Fe²⁺), завдяки чому здійснюється перенос електронів. Таким чином, електрони з убіхі­нону переходять послідовно через атоми заліза цитохромів b, с₁, с на останній у ланцюгу цитохром аа₃. У склад цитохрому аа₃ входять дві гемові групи (а і а₃) і два атоми міді, які також беруть участь у перенесенні електронів, зворотно змінюючи валентність: Сu²⁺± 1е^–  Сu⁺¹.

Унікальна особливість цитохрому аа₃ полягає в тому, що цей комплекс безпосередньо реагує з молекулярним киснем. Тому його також називають цитохромоксидазою. Молекула О₂ зв’язується з атомом залі­за цитохрому а₃, після чого обидва атоми кисню приймають по два електрони і, взаємодіючи з протонами, що надходять із середовища, утворюють дві молекули води. Таким чином, цитохромоксидаза каталізує чотирьох­електронне відновлення молекули О₂ до води.

 

Дихальний ланцюг включає, крім розглянутих компонентів, ще білки, котрі містять негемінове залізо. Атоми заліза зв’язані з атомами сірки, утворюючи залізо-сірчані центри, які також беруть участь у перененні електронів. Такі залізо-сірчані білки розміщені на різних ділянках дихального ланцюга.

Дихальний ланцюг

Компоненти дихального ланцюга об’єднані в чотири окремі функ­ціональні комплекси (I, II, III, IV), кожний з яких здатний каталізувати певну частину повної послідовності реакцій ланцюга (рис.).

Ці комплекси є частиною внутрішньої мембрани мітохондрій.

 

До комплексу I входять НАДН-дегідрогеназа з простетичною групою ФМН і декілька залізо-сірчаних білків.

Він каталізує перенення електронів від НАДН на убіхінон, тобто є НАДН:КоQ-оксидоредуктазою. Комплекс II включає сукцинатдегідрогеназу з простетичною групою ФАД, два чи три залізо-сірчаних білки і каталізує перененення електронів від сукцинату на убіхінон.

У комплекс III входять цитохроми b, с₁ і один залізо-сірчаний бі­лок. Цей комплекс ка­та­лізує перенесення елек­т­ро­­нів із відновленого убі­хі­нону на цитохром с, тобто це КоQН₂: цито­хром с‑оксидоредуктаза.

 Комплекс IV (цитохромоксидаза) складається з цито­хро­мів а й а₃ і каталізує перенос електронів із цитохрому с на кисень (рис.).

Ряд речовин блокує перенесення електронів на певних етапах дихального ланцюга. До таких інгібіторів тканинного ди­хання відносяться бар­бітурати і ротенон, які блокують етап НАДН – КоQ, антибіотик антиміцин А (цито­хром b – цитохром с₁), теноїл­три­фторацетон (сукцинатдегідрогеназа – КоQ), інгібітори цитохромоксидази – ­ціані­ди, азиди, оксид вуглецю (II), сірководень. Використання інгібіторів дозволило встановити послі­довність компонентів у дихальному ланцюгу.

Саме така послі­довність компонентів не є випадковою, а зумовлена величинами їх окисно-відновного потенціалу (Е_о). Ця константа кількісно характеризує здатність окисно-відновної пари, тобто здатність окисненої і відновленої форм певної сполуки зворотно віддавати електрон. Чим нижча (негативніша) величина ОВП пари, тим вища її можливість віддавати електрони, тобто окиснюватися. І навпаки, пара з більш високим (позитивним) значенням Е_о буде приймати електрони і відновлюватись. Таким чином, електрони переходять від однієї ОВ пари до іншої в напрямку більш позитивного Е_о. Таке перенесення елек­тронів супроводжується зменшенням вільної енергії. Для ОВ реакцій зміну стандартної вільної енергії визначають за рівнянням

   ,

де – зміна стандартної вільної енергії реакції;

n – кількість перенесених електронів (або атомів водню);

F – константа Фарадея (тепловий еквівалент роботи, рівний 95 кДж);

∆Е_о – різниця ОВ потенціалів між двома парами.

Чим більша різниця DЕ_о двох окисно-відновних пар, тим більше виділяється вільної енергії при перенесенні електронів.

У табл. вказані значення стандартних ОВП компонентів дихального ланцюга.

Значення Е_о в послідовності від НАД⁺ до О₂ поступово зро­стає. При повному переході двох електронів від ОВ пари ­НАДН/НАД⁺ (Е_о=‑0,32 В) до ОВ пари Н₂О/¹/₂О₂ (Е_о =+0,82 В) зміна вільної енергії дорівнює 220 кДж (52,6 ккал). Кожний акт переходу електронів між ­проміжними компонентами дихального ланцюга супроводжу­ється виді­лен­­ням певної порції вільної енергії (рис.).

Таким чином, завдя­ки на­­яв­нос­ті в ланцюгу перенесення електронів від субстратів до О₂ великої кіль­кості проміжних переносників енергія виділяється порціями і може бути використана для синтезу декількох молекул АТФ. Синтез АТФ із АДФ і Фн у стандартних умовах потребує 34,5 кДж/моль (8,3 ккал/моль), а в умовах живої клітини – приблизно 50 кДж/моль (12 ккал/моль). Перепад енергії між НАДН/НАД⁺ і Н₂О / ¹/₂О₂ (220 кДж/моль) достатній для синтезу не менше 4 молекул АТФ. Але експериментальні дослідження показали, що синтезується максимум 3 молекули АТФ. Саме на 3 ділянках дихального ланцюга перенесення електронів від одного компонента до наступного супроводжується перепадом вільної енергії, достатнім для синтезу АТФ.

Перша така ділянка – це НАД ®ФМН, друга – цитохром b ®ци­то­­хром с₁, третя – цитохром аа₃ ® кисень. Ці ділянки називають пунк­тами фосфорилювання. Термін “пункт фосфорилювання” чи “ділянка фос­форилювання” не треба розуміти як конкретну стадію, на якій без­посередньо відбувається утворення АТФ. Ідеться про те, що потік електронів через ці три ділянки ланцюга якимось чином поєднаний з утворенням АТФ (перепад ОВП тут достатній для синтезу 1 моле­кули АТФ).

При окисненні субстратів ФАД-залежними дегідрогеназами (наприклад, сукцинату сукцинатдегідрогеназою) потік електронів від ФАДН₂ до кисню не проходить через перший пункт фосфорилювання. У цих випадках синтезується на 1 молекулу АТФ менше, тобто дві. Вихід АТФ при окисненні різних субстратів і в різних умовах виражають відношенням Р/О, яке відповідає кількості молекул неорганічного фосфату, включених в АТФ, у розрахунку на один атом спожитого (поглинутого) кисню. Це співвідношення називають також коефіцієнтом фосфорилювання. Таким чином, відношення Р/О при переносі пари електронів від НАДН до кисню дорівнює 3, а від ФАДН₂ до кисню – 2. При дії інгібіторів тканинного дихання відношення Р/О знижується.

МЕХАНІЗМ ПОЄДНАННЯ ПЕРЕНесення ЕЛЕКТРОНІВ І ОКИСНЮВАЛЬНОГО ФОСФОРИЛЮВАННЯ

 

Синтез АТФ із АДФ і Фн за рахунок енергії, що звільнюється при перенесенні електронів по дихальному ланцюгу, називається окиснювальним фосфорилюванням (ОФ). Існує декілька доказів поєднання цих процесів. По-перше, окиснення НАДН чи ФАДН₂ у мітохондріях дійсно су­проводжується одночасним синтезом АТФ. По-друге, при наявності інгібіторів дихального ланцюга утворення АТФ зменшується. По-третє, відкриті хімічні речовини, які роз’єднують процеси переносу електронів і синтезу АТФ, не порушуючи перенесенні електронів по дихальному ланцюгу.

Тканинне дихання й ОФ поєднані не тільки енергетично, а і просторово на внутрішній мембрані мітохондрій. У ній локалізовані компоненти дихального ланцюга і ферменти, які каталізують реакцію синтезу АТФ. Через зовнішню мембрану мітохондрій легко проникають майже всі молекули й іони невеликих розмірів, тоді як внутрішня мембрана для більшості іонів невеликого розміру є непроникною. У ній є спеціальні транспортні системи, які переносять із цитоплазми в матрикс мітохондрій піруват та інше клітинне паливо, а також АДФ і неорганічний фосфат, а з мітохондрій у цитоплазму – АТФ. Матрикс містить піруватдегідрогеназну систему, ферменти циклу лимонної кислоти (циклу Кребса), ферменти окиснення жирних кислот тощо. Саме НАД- та ФАД-залежні ­дегідрогенази цих метаболічних шляхів переносять атоми водню на ­дихальний ланцюг. Компоненти дихального ланцюга утворюють у внутрішній мембрані високоупорядкований ансамбль. Точна локалізація всіх компонентів поки що не вивчена, але встановлено, що деякі білки розміщені на одному боці внутрішньої мембрани, а інші – на протилежному. Крім того, деякі білки дихального ланцюга пронизують мембрану наскрізь. Фермент, який каталізує синтез АТФ (АТФ-синтаза або ­Н⁺‑АТФаза), складається з двох компонентів: F_о і F₁.

Компонент F₁ нагадує шапочку гриба і повернений у бік матрикса мітохондрій. За допомогою ніжки він прикріплений до компонента F_o, який фіксується у мембрані й пронизує її наскрізь.

Існують три основні гіпотези про механізм поєднання (спряження) дихання й ОФ: хімічна, хеміосмотична і конформаційна. Згідно з хімічною гіпотезою, енергія, що виділяється при перенесенні електронів по дихальному ланцюгу, використовується для утворення високоенергетичного проміжного комплексу. Далі цей проміжний продукт розщеплюється і передає енергію на утворення АТФ. Але всі спроби відкрити проміжний ­висо­коенергетичний комплекс не дали результату.

Гіпотеза конформа­ційного поєднання припускає, що виділення енергії при транспорті електронів зумовлює зміни конформації біл­ко­вих компонентів внут­рішньої мембрани мітохондрій. Зміни конформації передаються на АТФ-синтазу, що призводить до її активації.

Найбільше значення має хеміосмотична ­те­о­рія (розроблена в 60‑х рр. П. Мітчелом, ла­у­реатом Нобелівської премії за 1978 р). Згідно з цією теорі­єю, перенесення елек­тро­­нів по дихальному ланцюгу су­про­во­­джу­ється вика­чу­ван­ням протонів із ма­т­риксу через внут­ріш­­ню мембрану у водне середовище між­мем­бран­ного простору.

 Припускають, що асиметрично розміщені в мембрані компоненти дихального ланцюга утво­­­рюють три петлі, які пере­носять через мембрану протони, тобто служать протонними пом­­пами. З кожною парою елек­тронів, що передаються від субстрату до кисню, ці три петлі транспортують із матриксу мітохондрій шість протонів (за новими даними, не менше 9). Таким чином, енергія, яка виділяється при перенесенні електронів, затрача­ється на перекачування іонів Н⁺ проти градієнта концентрації. Внаслідок викачування іонів Н⁺ із матриксу внутріш­ній бік внутрішньої мембрани мітохондрій стає електронегативним, а зовнішній – елек­тропозитивним, тобто вини­кає градієнт концентрації іонів водню: їх менше в матриксі й більше – в зовнішній водній фазі. Сумарний електрохімічний протонний потенціал позначається ∆μН⁺. Він складається із 2-х компонентів: ∆μН=∆рН і ∆V (рис.).

Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для іонів Н⁺, а також іонів ОН^–, К⁺, Nа⁺, СI^–, але мембранний білок F_o АТФази утворює канал, по якому іони Н⁺ повертаються в матрикс за градієнтом концентрації, вільна енергія, яка при цьому виділяється, використовується F₁-компонентом АТФази для синтезу АТФ з АДФ і Фн.

Поки що незрозуміло, як саме направлений через АТФ-синтетазну систему потік протонів зумовлює утворення АТФ. Припускають, що на активному центрі АТФ-синтази іони водню реагують з АДФ і фосфорною кислотою, що призводить до виникнення АТФ та виділення води за рахунок відщепленого воднем кисню. Однак детальний механізм цього процесу ще не виивчений. Таким чином, згідно з хемі­осмотичною ­теорією, перенесення електронів по дихальному ланцюгу створює градієнт концентраціїї іонів Н⁺, який служить рушійною силою синтезу АТФ. ­Специфічний білок-переносник, аденіннуклеотид-транслоказа переносить новосинтезований АТФ із матриксу в цитоплазму в обмін на АДФ. Ця сама транспортна система переносить у матрикс мітохондрій фосфат. Є речовини, що мають здатність роз’єднувати процес транспорту електронів і фосфорилювання. Таке дихання називають нефосфорилювальним, або роз’єднаним. Цю властивість мають 2,4-динітрофенол, дикумарин, вільні жирні кислоти, похідні саліцилової кислоти, що підвищують температуру тіла. Це так звані протонофори, які мають здатність переносити Н⁺ через мембрану мітохондрій у бік меншої їх концентрації і цим самим вирівнювати їх концентраційний градієнт (рис.).

Наведені вище дані підтверджують дієвість функціонування хемі­осмотичного механізму окисного фосфорилювання.

Але найпереконливішим підтвердженням гіпотези Мітчела став експеримент американського науковця Рекера: так званий дослід із “химерою”. Назва “химера” запозичена зі старогрецької міфології про чудовисько з пащею лева, тулубом кози і хвостом дракона.

За аналогією Рекер зібрав композицію з трьох різних частинок. Спочатку він сконструював мембрану з фосфоліпідів сої, в яку вмонтував бактеріальний білок родопсин, що має здатність у відповідь на ос­вітлення переносити протони проти градієнта концентрації (протонна помпа). Третім компонентом мембранної композиції був фермент АТФ-синтетаза, одержаний із міокарда бика. Таким чином, композиція мала всі компоненти, необхідні для утворення АТФ. І справді, під впливом пучка світла “химера” ожила, вона почала виробляти АТФ, незважаючи на всю неодно­рідність складових частин. Із цього часу хеміосмотична гіпотеза перетворилася на струнку теорію, за яку Мітчелу в 1978 році було присуджено Нобелівську ­премію.

Сприяють активації дихання і фосфорилювання вітаміни групи В (В₁, В₂, В₃, В₅ і ліпоєва кислота), які входять до складу коферментів загального катаболізму (окиснення пірувату й ацетилкоензиму А), мікроелементи Fe, Сu і, звичайно, сам кисень.

При голодуванні як енергетичний субстрат використовуються речовини власних тканин (глікоген, жири, білки). Таких внутріш­ніх резервів вистачає на декілька тижнів. Але нестача кисню вже через 2-3 хвилини може викликати смерть.

Гормони з катаболічною дією стимулюють окиснювальні процеси, сприяють виробленню АТФ і теплопродукції. І навпаки, гормони-анаболі­ки зумовлюють витрачення енергії, що вилучається під час ­катаболізму.