Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985
Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
Образование АТР путем окислительного фосфорилирования регулируется в соответствии с энергетическими нуждами клетки
Рассмотрим теперь, каким образом регулируется синтез АТР, сопряженный с переносом электронов. Из уравнения, описывающего окисление NADH в митохондриях. видно, что перенос электронов может происходить лишь в том случае, если помимо кислорода имеются также ADP и фосфат:
Во время переноса электронов фосфат и ADP исчезают из цитозоля, а АТР накапливается в нем. В конце концов почти весь ADP в системе в результате окислительного фосфорилирования превращается в АТР. Хотя концентрация неорганического фосфата при этом тоже снижается, тем не менее в клетках она обычно значительно превышает концентрацию ADP. Поэтому после исчерпания запаса ADP в цитозоле скорость потребления кислорода митохондриями неизбежно уменьшается; теперь она составляет лишь небольшой процент от максимальной скорости, поскольку лимитируется низкой концентрацией ADP (рис. 17-27). Эта скорость дыхания соответствует состоянию покоя. Максимального уровня дыхание может достичь лишь после того, как концентрация ADP в цитозоле повысится. Для того чтобы это произошло, должна увеличиться скорость какого-нибудь клеточного процесса, связанного с затратой энергии. Усиленное потребление энергии ускорит распад АТР до ADP, и наличие ADP сделает возможным фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов. Зависимость скорости потребления кислорода от концентрации ADP, играющего роль акцептора фосфата, называют акцепторным контролем дыхания. Отношение максимального потребления кислорода в присутствии ADP к его потреблению в состоянии покоя, называемое коэффициентом акцепторного контроля, равно в различных тканях животных и человека по меньшей мере 10. У некоторых людей акцепторный контроль дыхания нарушен, что связано, по всей вероятности, с генетическим дефектом. В таких случаях потребление кислорода в тканях все время поддерживается на высоком уровне.
Рис. 17-27. Акцепторный контроль дыхания. При дыхании в состоянии покоя почти весь доступный ADP в результате фосфорилирования превращается в АТР, после чего потребление кислорода резко снижается. Если концентрация ADP внезапно повысится, например при физической нагрузке, то и скорость потребления кислорода возрастет до уровня, соответствующего активному состоянию. В этот период будет происходить фосфорилирование ADP с образованием АТР. Когда почти весь ADP перейдет в АТР, скорость дыхания вновь возвратится к уровню, соответствующему состоянию покоя.
Один из способов характеристики энергетического состояния клеток заключается в том, чтобы выразить его через отношение действующих масс АТР-системы (квадратные скобки означают здесь молярные концентрации):
В норме это отношение очень велико, т. е. система АТР-ADP почти полностью фосфорилирована. В этих условиях концентрация ADP очень низка и не может обеспечить максимальную скорость дыхания. Скорость же синтеза АТР достаточна для удовлетворения текущих нужд клетки. Если, однако, скорость каких-нибудь клеточных процессов, требующих расходования АТР, внезапно возрастет, то часть клеточного АТР расщепится до ADP и фосфата, в результате чего отношение [ATP]/[ADP] [Pі] понизится. Повышение концентрации ADP автоматически приведет теперь к повышению скорости переноса электронов и окислительного фосфорилирования, т.е. к усилению регенерации АТР из ADP. Это будет продолжаться до тех пор, пока отношение [ATP]/[ADP] [Pі] не вернется к своему нормальному высокому уровню; в этот момент дыхание снова замедлится. Скорость окисления клеточного топлива регулируется обычно с такой чувствительностью и точностью, что в большинстве тканей отношение [ATP]/[ADP] [Рі] колеблется в очень узких пределах даже тогда, когда потребность в энергии меняется. АТР образуется со скоростью, как раз достаточной для того, чтобы компенсировать его расход в процессах, требующих затраты энергии.
Рис. 17-28. Электронные микрофотографии митохондрий из печени мыши. А Митохондрии в состоянии покоя, когда их энергетический заряд максимален. Б. Активно дышащие митохондрии, генерирующие АТР с максимальной скоростью. При переходе из состояния покоя в активное состояние и обратно как внутренняя митохондриальная мембрана, так и матрикс митохондрий претерпевают очень резкие структурные изменения.