Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985
Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
Перенос электронов от субстратов на кислород служит источником энергии АТР
В этой главе мы познакомимся с событиями, составляющими кульминацию клеточного дыхания, - с переносом электронов и окислительным фосфорилированием. Все ферментативные этапы окислительного расщепления углеводов, жиров и аминокислот сходятся в аэробных клетках к этой конечной стадии клеточного дыхания, на которой электроны переходят от органических субстратов к кислороду, а энергия, выделяемая при этом, используется для образования АТР из ADP и фосфата.
Представление о значении процесса окислительного фосфорилирования в организме человека может дать следующий грубый расчет. Взрослый здоровый человек весом 70 кг при сидячей работе потребляет в день около 2800 ккал. Для того чтобы такое количество энергии было получено за счет гидролиза АТР, требуется (в стандартных условиях) 2800/7,3 = 384 моль, или 190 кг АТР. Между тем в организме человека содержится всего около 50 г АТР. Ясно поэтому, что для удовлетворения потребности организма в химической энергии эти 50 г АТР должны на протяжении суток тысячи и тысячи раз расщепиться до ADP и фосфата с последующим ресинтезом. Кроме того, должна, очевидно, в широких пределах меняться и сама скорость обновления АТР в организме - от минимальной во время сна до максимальной в периоды напряженной мышечной работы. А это значит, что окислительное фосфорилирование - не просто непрерывный жизненно важный процесс, но и такой, который должен регулироваться в очень широких пределах.
На рис. 17-1 приведена схема, помогающая понять общую организацию процесса переноса электронов и окислительного фосфорилирования. В каждом обороте цикла лимонной кислоты специфичные дегидрогеназы отщепляют от изоцитрата, а-кетоглутарата. сукцината и малата четыре пары атомов водорода. Эти атомы водорода в определенной точке отдают свои электроны в цепь переноса электронов и превращаются таким образом в ионы Н+, которые поступают в водную среду. Электроны, переходя от одного переносчика к другому, достигают в конце концов цитохрома аа3, или цитохромоксидазы, при участии которой они и передаются на кислород — конечный акцептор электронов у аэробных организмов. Всякий раз, когда атом кислорода присоединяет два электрона, поступающие к нему по цепи переноса, из водной среды поглощаются два иона Н+, равноценные тем, в которые превратились два атома водорода, отщепленные ранее дегидрогеназами; в результате этого образуется молекула Н2О.
Из рис. 17-1 видно, что помимо четырех пар атомов водорода, поставляемых каждым оборотом цикла лимонной кислоты, образуются и другие атомы водорода, отщепляемые дегидрогеназами от пирувата, жирных кислот и аминокислот во время расщепления этих соединений до ацетил-СоА и других продуктов. Почти все атомы водорода, отщепляемые дегидрогеназами от молекул клеточного топлива в аэробных клетках, в конце концов передают свои электроны в дыхательную цепь, т. е. на тот общий путь, который ведет к конечному акцептору электронов - кислороду.
Рис. 17-1. Схема процесса дыхания. Указано происхождение пар водородных атомов, отщепляемых дегидрогеназами. Эти пары водородных атомов передают свои электроны (2е-) в цепь переноса электронов, по которой они в конечном счете переходят на кислород. Для восстановления каждого атома кислорода требуется 2е- + 2Н+. Энергия, высвобождающаяся при переносе одной пары электронов от NADH к кислороду, запасается в виде трех молекул АТР, образующихся в результате окислительного фосфорилирования. Цепь переноса электронов представлена здесь не полностью.
Дыхательная цепь состоит из ряда белков с прочно присоединенными простетическими группами, обладающими способностью присоединять и отдавать электроны. Эти белки располагаются в определенной последовательности, в которой каждый из них способен присоединять электроны от предыдущего и передавать их тому, который следует за ним. Электроны, поступающие в эту цепь переносчиков, богаты энергией, но по мере их продвижения по цепи, от одного переносчика к другому, они теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТР с помощью молекулярных механизмов, действующих во внутренней мембране митохондрий. Перенос электронов сопряжен с синтезом АТР из ADP и фосфата: на каждую пару электронов, переданных по дыхательной цепи от NADH к кислороду, синтезируются три молекулы АТР (рис. 17-1). Три участка дыхательной цепи, в которых энергия, высвобождающаяся в процессе окисления - восстановления, запасается в форме АТР, называются пунктами фосфорилирования или пунктами запасания энергии.