Окислительное фосфорилирование.

служит превращению энергии, запасенной в НАДН и ФАДН2 в процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот в энергию высокоэнергетических связей молекул АТФ. В ходе этого процесса электроны от НАДН и ФАДН2 перемещаются по многоступенчатой цепи переноса электронов к конечному их акцептору - молекулярному кислороду. Это - цепь процессов окисления-восстановления. При переходе электрона со ступени на ступень в определенных звеньях такой цепи освобождающаяся энергия служит для фосфорилирования АДФ в АТФ. Поскольку в этом процессе окисление сопряжено с фосфорилированием, то его называют окислительным фосфорилированием.
В цепь переноса электронов, которая расположена на внутренней мембране митохондрий, входит ряд последовательно расположенных переносчиков электронов, которые отличаются способностью акцептировать электроны. Самый сильный акцептор электронов кислород расположен в конце цепи.
Среди промежуточных переносчиков электронов - кофермент Q, цитохром b, цитохром ci, цитохром с, цитохром а, цитохром а3 и, наконец, О2. Кофермент Q, или убихинон, представляет собой производное бензохинона, способное при участии фермента принимать электроны окисляемого НАДН и передавать их на восстанавливаемый цитохром b. Промежуточным переносчиком электронов является фермент, в состав которого входит акцептор электронов - флавинмононуклеотид, сокращенно ФМН. При переносе электрона с ФМН на кофермент Q происходит первое фосфорилирование АДФ в АТФ. Еще две молекулы АТФ синтезируются на последующих этапах, где акцепторами электронов служат цитохромы. Цитохромы b, ci, с, а и а3 представляют собой белки, к которым присоединены молекулы гема железо-порфирина, подобные тем, которые содержатся в составе гемоглобина эритроцитов или хлорофилла, магнийпорфирина. Ниже (рис. стр 82) схематически изображена цепь переноса электрона с участками, в которых происходит фосфорилирование АДФ в АТФ. В комплексе цитохром а и а3, который называют цитохромоксидазой, помимо атомов железа содержатся атомы меди. Атомы железа и меди в этих молекулах и служат попеременно акцепторами и донорами электронов. Как энергия, запасенная в НАДН и ФАДН2, служит синтезу АТФ? Атомы водорода этих восстановленных соединений транспортируются в мембраны митохондрий, где они оставляют электроны е- на внутренней стороне мембраны, а катионы Н+ переносятся на наружную сторону. Электроны соединяются с кислородом, в результате чего образуются анионы:

О2 + е- = О2- Между наружной поверхностью мембраны, где накапливаются катионы Н+, и внутренней, где накапливаются анионы O2- возникает разность потенциалов. В мембраны митохондрий встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ. Когда разность потенциалов достигает определенной величины, катионы начинают двигаться через каналы в молекуле фермента, и их энергия расходуется на синтез АТФ. Внутри митохондрий катионы Н +, соединяясь с анионами О2 -образуют воду. Таким образом, электроны восстановленных НАДН и ФАДН2 в процессе гликолиза и в цикле трикарбоновых кислот при окислении глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот акцептируются кислородом, а энергия электронов расходуется на образование АТФ. В результате восстановления кислорода образуются молекулы воды. В цикле трикарбоновых кислот образуется СО2 и в цепи переноса электронов - вода. Это те же конечные продукты, которые образуются при сжигании органического топлива. Так используется энергия, запасенная в молекуле глюкозы, при доступе кислорода. При этом одна молекула глюкозы полностью окисляется до СО2 и Н2О, а энергия ее преобразуется в энергию 38 молекул АТФ.
При дефиците кислорода или полном его отсутствии происходит анаэробный гликолиз

13)принципы и функции фосфорилирования.. Чтобы максимально использовать энергетические возможности, заложенные в процессе переноса электронов от субстрата на молекулярный кислород, необходимо было сформировать. механизмы, позволяющие полностью отщеплять водород (электроны) от субстрата; создать системы, в которых весь отщепленный водород передается на O₂ наиболее рациональным путем, образовать механизмы, при помощи которых энергия электронного переноса трансформируется в химическую энергию, доступную для использования во всех энергозависимых процессах клетки. В ходе эволюции эти задачи были решены следующим образом.

1. Полное отщепление водорода от органического субстрата достигается в результате функционирования ЦТК или окислительного пентозофосфатного цикла. Если энергетическим субстратом являются неорганические соединения, для их окисления также были сформированы ферментативные реакции, катализируемые соответствующими дегидрогеназами.

2. Перенос водорода на молекулярный кислород осуществляется с помощью системы структурно и функционально взаимосвязанных переносчиков, составляющих в совокупности "дыхательную цепь".

3. Энергетические возможности переноса электронов по электрохимическому градиенту реализуются в результате функционирования механизмов, сопрягающих электронный транспорт с фосфорилированием.

4. Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона (Н:^-) от НАДH; при этом регенерируется НАД⁺, a гидрид-ион превращается в протон и два электрона (Н:^- ® Н⁺ + 2е^-). Эти электроны переходят на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его сродство к электрону. Важно отметить, что все белки – переносчики электронов – группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

5. Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий.

6. Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны по дыхательной цепи так, что они последо­вательно переходят от одного ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов (Н⁺) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения (мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН (DрН) заставляет ионы Н⁺ переходить обратно в матрикс, а ионы ОН^- из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах

15). Субстраты дыхания. Вопрос о веществах, используемых в процессе дыхания, издавна занимал физиологов. Еще в работах И. П. Бородина было показано, что интенсивность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именно углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании. В выяснении данного вопроса большое значение имеет определение дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент (ДК) — это объемное или молярное отношение СО2, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же промежуток времени О2. При нормальном доступе кислорода величина ДК зависит от субстрата дыхания. Если в процессе дыханий используются углеводы, то процесс идет согласно уравнению СбН12Сб + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О. В этом случае ДК равен единице. Однако если разложению в процессе дыхания подвергаются более окисленные соединения, например органические кислоты,поглощение кислорода уменьшается, ДК становится больше единицы. Так, если в качестве субстрата дыхания используется яблочная кислота, то ДК = 1,33. При окислении в процессе дыхания более восстановленных соединений, таких, как жиры или белки, требуется больше кислорода и ДК становится меньше единицы. Так, при использовании жиров ДК = 0,7. Определение дыхательных коэффициентов разных тканей растений показывает, что в нормальных условиях он близок к единице. Это дает основание считать, что в первую очередь растение использует в качестве дыхательного материала углеводы. При недостатке углеводов могут быть использованы и другие субстраты. Особенно это проявляется на проростках, развивающихся из семян, в которых в качестве запасного питательного вещества содержатся жиры или белки. В этом случае дыхательный коэффициент становится меньше единицы. При использовании в качестве дыхательного материала жиров происходит их расщепление до глицерина и жирных кислот. Жирные кислоты могут быть превращены в углеводы через глиоксилатный цикл. Использованию белков в качестве субстрата дыхания предшествует их расщепление до аминокислот.

16). Дыхательный коэффициент. Дыхательный коэффициент (ДК) — это объемное или молярное отношение С02, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же про-межуток времени 02. При нормальном доступе кислорода величина ДК зависит от субстрата дыхания. Если в процессе дыхания используются углеводы, то процесс идет согласно уравнению С6Н1206 +602 —> 6С02 + 6Н20. В этом случае ДК равен единице: 6С02/602 = 1. Однако если разложению в процессе дыхания подвергаются более окисленные соединения, например органические кислоты, поглощение кислорода уменьшается, ДК становится больше единицы. Так, если в качестве субстрата дыхания используется яблочная кислота, то ДК = 1,33.