Итак, клеточное дыхание происходит в клетке.
Но где именно? Какая органелла осуществляет этот процесс?
Основной этап клеточного дыхания осуществляется в . Как известно, основной продукт работы митохондрии — молекулы АТФ — синоним понятия «энергия» в биологии. Действительно, основным продуктом этого процесса является энергия, молекулы АТФ.
АТФ — это молекула — синоним энергии в биологии. Расшифровывется как Аденозинтрифосфат или Аденозинтрифосфорная кислота. Как видно из рисунка формулы, в составе молекулы есть:
- три связи с остатками фосфорной кислоты, при разрыве которых выделяется большое количество энергии,
- углевод рибоза (пятиатомый сахар) и
- азотистое основание
1 Этап клеточного дыхания — подготовительный
Каким образом вещества попадают в клетки? В процессе пищеварения организма. Суть процесса пищеварения — расщепление полимеров, поступающих в организм с пищей, до мономеров:
- расщепляются до аминокислот;
- — до глюкозы;
- расщепляются до глицерина и жирных кислот.
Т.е. в клетку поступают уже мономеры.
2 Этап клеточного пищеварения
Гликолиз — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ.
Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (ПВК) (пирувата),
гликолиз в анаэробных условиях (бескислородных или при недостатке кислорода) ведёт к образованию молочной кислоты (лактата).
CH 3 -CH(OH)-COOH
Процесс идет с участием молекул фосфорной кислоты, поэтому называется окислительное фосфорилирование
Гликолиз является основным путём глюкозы в организме животных.
Превращения происходят в , т.е. процесс будет однозначно анаэробным: молекула глюкозы расщепится до ПВК — пировиноградной кислоты с выделением 2 молекул АТФ:
3 Этап клеточного пищеварения (кислородный)
Поступая в митохондрию, происходит окисление: ПВК под действием кислорода расщепляется до углекислого газа (суммарное уравнение):
Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула - ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки - цикл Кребса .
Цикл Кребса
(цикл лимонной кислоты)
Цикл Кребса — это реакции, которые начинаются, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация инициирует серию других химических реакций, в которых образуются молекулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь.
Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы , цикл Кребса нужно пройти дважды
Процесс многостадийный, и в нем, помимо различных кислот с интересными названиями участвуют коферменты (КоА).
Что такое коферменты?
(коэнзимы)
- это органические вещества небольшого размера
- они способны соединяться с белками (или прямо с ферментами, у которых, кстати, белковая природа), образуя активное вещество, косплекс, которое будет являться чем-то вроде катализатора.
Приставка «ко-» — это как «со-» — сопродюсер, соотечественник и т.п. Т.е. «вместе, с «
Гликолиз - катаболический путь исключительной важности.
Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка.
Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров.
Пируват также может быть использован для синтеза других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.
Тканевое дыхание
клеточное дыхание, совокупность ферментативных процессов, протекающих при участии кислорода воздуха в клетках органов и тканей, в результате чего продукты расщепления углеводов, жиров, белков окисляются до углекислого газа и воды, а значит, часть освобождающейся энергии запасается в форме богатых энергией, или макроэргических соединений (См. Макроэргические соединения). Т. д. отличают от внешнего дыхания (См. Дыхание) -
совокупности физиологических процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и выведение из него углекислого газа. Многие ферменты, катализирующие эти реакции, находятся в особых клеточных органоидах - митохондриях (См. Митохондрии).
На все проявления жизни (См. Жизнь) -
рост, движение, раздражимость, самовоспроизведение и др. - организм расходует энергию. Формой энергии, пригодной для использования клетками, является энергия химических связей (главным образом фосфатных) в макроэргических соединениях - аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ) и др. Для синтеза АТФ необходим приток энергии извне. По способам извлечения энергии существует принципиальное различие между автотрофными организмами (См. Автотрофные организмы) и гетеротрофными организмами (См. Гетеротрофные организмы). Клетки зелёных растений - наиболее типичных автотрофов - в процессе фотосинтеза используют энергию солнечного света для синтеза АТФ и глюкозы. (Образование из глюкозы более сложных молекул происходит в клетках растений также в процессе Т.
д.) В клетках гетеротрофов - животных и человека - единственным источником энергии является энергия химических связей молекул пищевых веществ. Молекулы различных соединений, выполняющие роль биологического «топлива» (глюкоза, жирные кислоты, некоторые аминокислоты), образовавшись в клетках животного организма или поступив в кровь из пищеварительного тракта, претерпевают ряд последовательных химических превращений. В процессе Т. д. можно наметить три основные стадии: 1) окислительное образование ацетилкофермента А (активная форма уксусной кислоты) из пировиноградной кислоты (промежуточный продукт расщепления глюкозы), жирных кислот и аминокислот; 2) разрушение ацетильных остатков в Трикарбоновых кислот цикл е с освобождением 2 молекул углекислого газа и 4 пар атомов водорода, частично акцептируемых коферментами Никотинамидадениндинуклеотид ом и Флавинадениндинуклеотид ом и частично переходящих в раствор в виде протонов; 3) перенос электронов и протонов к молекулярному кислороду (образование H 2 O) - процесс, катализируемый набором дыхательных ферментов и сопряжённый с образованием АТФ (так называемое Окислительное фосфорилирование). Первые две стадии подготавливают третью, в ходе которой в результате последовательных окислительно-восстановительных реакций происходит освобождение основной части энергии, вырабатываемой в клетке. При этом около 50% энергии в результате окислительного фосфорилирования запасается в форме богатых энергией связей АТФ, а остальная часть её выделяется в виде тепла. Т. д. обеспечивает образование и постоянное пополнение АТФ в клетках. В случае недостатка в снабжении клеток животных и человека кислородом запасы АТФ не исчерпываются сразу. Их пополнение может происходить в результате включения дополнительных механизмов - систем анаэробного (без участия кислорода) распада углеводов - Гликолиз а и гликогенолиза. Однако этот путь энергетически во много раз менее эффективен и не может обеспечить функции и целостность структуры органов и тканей. Биологическая роль Т. д. не исчерпывается существенным вкладом в энергетический обмен организма. На различных его этапах образуются молекулы органических соединений, используемых клетками в качестве промежуточных продуктов для различных биосинтезов. См. также
Аденозинфосфорные кислоты , Биоэнергетика , Обмен веществ , Окисление биологическое . Лит.:
Северин С. Е., Биологическое окисление и окислительное фосфорилирование, в кн.: Химические основы процессов жизнедеятельности, М., 1962; Ленинджер А., Превращение энергии в клетке, в кн.: Живая клетка, пер. с англ., 2 изд., М., 1962; его же. Биохимия, пер. с англ., М., 1974; Скулачев В. П., Аккумуляция энергии в клетке, М., 1969; Вилли К., Детье В., Биология. (Биологические процессы и законы), пер. с англ., М., 1974. В. Г. Иванова.
Схема превращения энергии в живых клетках: тканевое дыхание, образование АТФ и пути его использования.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Тканевое дыхание" в других словарях:
тканевое дыхание - – аэробный распад органических веществ в живых тканях … Краткий словарь биохимических терминов
- … Википедия
ДЫХАНИЕ - ДЫХАНИЕ. Содержание: Сравнительная физиология Д.......... 534 Дыхательный аппарат............. 535 Механизм вентиляции легких......... 537 Регистрация дыхательных движении..... 5 S8 Частота Д., сила дыхат. мышц и глубина Д. 539 Классификация и… … Большая медицинская энциклопедия
Совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии, необходимой для… … Большой Энциклопедический словарь
Современная энциклопедия
Дыхание - ДЫХАНИЕ, совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление диоксида углерода (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Диафрагмальный (брюшной) тип дыхания у человека У этого термина существуют и другие значения, см. Клеточное дыхание … Википедия
ДЫХАНИЕ, ДЫХАНЬЕ, я; ср. 1. Вбирание и выпускание воздуха лёгкими или (у некоторых животных) иными соответствующими органами как процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа живыми организмами. Органы дыхания. Шумное, тяжёлое,… … Энциклопедический словарь
I Дыхание (respiratio) совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа. В результате… … Медицинская энциклопедия
Совокупность процессов, которые обеспечивают поступление в организм кислорода и выделение из него углекислого газа (внешнее Д.) и использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением содержащейся в … Большая советская энциклопедия
Книги
- Проблемы биологической физики , Л. А. Блюменфельд , В книге рассматриваются те проблемы теоретической биологии, которые можно пытаться изучать на основе методов и принципов физики. Детально анализируется ряд важнейших проблем современной… Категория: Основы медицинских знаний Серия: Физика жизненных процессов Издатель:
Это процесс потребление клетками тканей организма кислорода, который участвует в биологическом окислении. Такой вид окисления называют аэробным окислением. Если конечным акцептором в цепи переноса водорода выступает не кислород, а другие вещества (например пировиноградная кислота), то такой тип окисления называют анаэробным.
Т.о. биологическое окисление - это дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Биологическое окисление питательных веществ происходит в митохондриях. В них были обнаружены ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты, дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования, в расщеплении жирных кислот и ряда аминокислот.
Дыхательная цепь (ферменты тканевого дыхания) - это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Окислитель - это соединение, способное принимать электроны. Такая способность количественно характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом по отношению к стандартному водородному электроду, рН которого равен 7,0. Чем меньше потенциал соединения, тем сильнее его восстанавливающие свойства и наоборот.
Особенности тканевого дыхания
Процесс тканевого дыхания нельзя считать тождественным процессам биологического окисления (ферментативным процессам окисления различных субстратов, протекающим в животных, растительных и микробных клетках), поскольку значительная часть таких окислительных превращений в организме происходит в анаэробных условиях, т.е. без участия молекулярного кислорода, в отличие от дыхания тканей.
Большая часть энергии в аэробных клетках образуется благодаря дыханию тканей, и количество образующейся энергии зависит от его интенсивности. Интенсивность Д. т. определяется скоростью поглощения кислорода на единицу массы ткани; в норме она обусловлена потребностью ткани в энергии. Интенсивность его наиболее высока в сетчатке глаза, почках, печени; она значительна в слизистой оболочке кишечника, щитовидной железе, яичках, коре головного мозга, гипофизе, селезенке, костном мозге, легких, плаценте, вилочковой железе, поджелудочной железе, диафрагме, сердце, скелетной мышце, находящейся в состоянии покоя. В коже, роговице и хрусталике глаза интенсивность тканевого дыхания невелика. Гормоны щитовидной железы, жирные кислоты и другие биологически активные вещества способны активизировать тканевое дыхание.
Интенсивность такого дыхания определяют полярографически или манометрическим методом в аппарате Варбурга. В последнем случае для характеристики используют так называемый дыхательный коэффициент - отношение объема выделившегося углекислого газа к объему кислорода, поглощенного определенным количеством исследуемой ткани за определенный промежуток времени.
Т. о. любое соединение может отдавать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. В дыхательной цепи каждое последующее звено имеет более высокий потенциал, чем предыдущее.
Дыхательная цепь
Дыхательная цепь состоит из: НАД - зависимой дегидрогеназы; ФАД- зависимой дегидрогеназы; Убихинона (КоQ); Цитохрмов b, c, a+a3 .
НАД-зависимые дегидрогеназы. В качестве кофермента содержат НАД и НАДФ. Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода.
ФАД и ФМН-зависимые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента фосфорный эфир витамина В2 (ФАД).
Убихинон (КоQ) отнимает водород у флавопротеидов и превращается при этом в гидрохинон.
Цитохромы - белки хромопротеиды, способные присоединять электроны, благодаря наличию в своем составе в качестве простетических групп железопорфиринов. Они принимают электрон от вещества, являющегося немного боле сильным восстановителем, и передают его более сильному окислителю. Атом железа связан с атомом азота имидазольного кольца аминоксилоты гистидина с одной стороны от плоскости порфиринового цикла, а с другой стороны с атомом серы метионина. Поэтому потенциальная способность атома железа в цитохромах к связыванию кислорода подавлена.
В цитохроме с порфириновая плоскость ковалентно связана с белком через два остатка цистеина, а в цитохромах b и а, она ковалентно не связано с белком.
В цитохроме а+а3 (цитохромоксидазе) вместо протопорфирина содержатся порфирин А, который отличатся рядом структурных особенностей. Пятое координационное положение железа занято аминогруппой, принадлежащей остатку аминосахара, входящего в состав самого белка.
В отличии от гема гемолгобина атом железа в цитохромах может обратимо переходить из двух в трехвалентное состояние это обеспечивает транспорт электронов.
Потребности тканей в кислороде и его запасы
Потребности тканей в кислороде зависят от функционального состояния клеток,
входящих в ее состав. Скорость потребления кислорода обычно выражается в мл
кислорода на 1 г веса в минуту. В состоянии покоя кислород относительно
интенсивно поглощается миокардом, серым веществом головного мозга (в частности,
корой головного мозга), печенью и корковым веществом почек. В тоже время
скелетные мышцы, селезенка и белое вещество головного мозга в покое потребляют
мало кислорода.
При увеличении активности какого-либо органа потребность его в кислороде
увеличивается. При физической нагрузке потребление кислорода миокардом может
увеличиться в 3 - 4 раза, а работающими скелетными мышцами - более чем в 20 - 50
раз по сравнению с покоем. Потребление кислорода почками возрастает при
увеличении интенсивности реабсорбции ионов натрия.
Количество кислорода, которое клетки могут использовать для окислительных
процессов, зависит от конвекционного переноса кислорода кровью и диффузии
кислорода из капилляров в ткани. Поскольку единственным запасом кислорода в
большинстве тканей служит его физически растворенная фракция, снижение
поступления кислорода приводит к кислородному голоданию и к замедлению
окислительных процессов.
Единственной тканью, в которой имеются запасы кислорода, является мышечная
ткань. Роль депо кислорода играет пигмент миоглобин, способный обратимо
связывать кислород. Однако содержание миоглобина в мышцах человека невелико,
так, среднее содержание миоглобина в сердце составляет 4 мг/г. Поскольку 1 г
миоглобина может связать примерно до 1,34 мл кислорода, запасы кислорода в
сердце составляют около 0,005 мл кислорода на 1г ткани. Этого количества в
условиях полного прекращения доставки кислорода к миокарду может хватить для
того, чтобы поддерживать окислительные процессы лишь в течение примерно 3 - 4
секунд.
Миоглобин играет роль кратковременного депо кислорода. В миокарде кислород,
связанный с миоглобином, обеспечивает окислительные процессы в тех участках,
кровоснабжение которых на короткий срок снижается или полностью прекращается во
время систолы.
В начальном периоде интенсивной мышечной нагрузки увеличенные потребности
скелетных мышц в кислороде частично удовлетворяются за счет кислорода,
высвобождающегося миоглобином. В дальнейшем возрастает мышечный кровоток, и
поступление кислорода к мышцам вновь становится адекватным. Восполнение запасов
оксимиоглобина является составной частью кислородного долга, который должен быть
покрыт каждым мышечным волокном после окончания работы.
Кислородное голодание тканей
При ряде патологических состояний страдает снабжение тканей кислородом. В этих
случаях энергетические потребности клеток могут в течение короткого времени
удовлетворяться за счет ограниченных запасов энергии в виде АТФ и креатинфосфата,
а также за счет анаэробного гликолиза. Однако эти источники энергии недостаточны
и могут использоваться недолго, так как в анаэробных условиях резко возрастает
потребность клеток в глюкозе, поступление которой обычно не может удовлетворять
эту потребность, и во-вторых, в процессе гликолиза образуется большое количество
лактата, который медленно удаляется из ткани для последующей переработки
(например, для расщепления в печени, почках или миокарде, или для синтеза
гликогена). При значительном недостатке кислорода содержание лактата в крови
постоянно нарастает, что приводит к нереспираторному ацидозу. Когда рН
внутриклеточной среды падает ниже уровня оптимальной активности ферментных
систем, наступают выраженные нарушения клеточного метаболизма.
Основные причины, приводящие к кислородному голоданию (тканевой гипоксии), это
понижение напряжения кислорода в артериальной крови (артериальная гипоксия),
уменьшение кислородной емкости крови (анемия) и уменьшение кровоснабжения того
или иного органа (ишемия).
Тканевоме или клемточное дыхание -- совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в процессе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (молекул аденозинтрифосфорной кислоты и других макроэргов) и может быть использована организмом по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. На клеточном уровне рассматривают два основных вида дыхания: аэробное (с участием окислителя-кислорода) и анаэробное. При этом, физиологические процессы транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению из них углекислого газа рассматриваются как функция внешнего дыхания.
Аэромбное дыхамние. В цикле Кребса основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электрон транспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД Н и ФАДН 2 , восстановленных в процессах гликолиза, в-окисления, цикла Кребса и т. д. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий (у прокариот -- в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД Н может дать в ходе этого процесса 2,5 молекулы АТФ, ФАДН 2 -- 1,5 молекулы. Конечным акцептором электрона вдыхательной цепи аэробов является кислород.
Анаэромбное дыхамние -- биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O 2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Брюшное дыхание осуществляется при помощи сокращения диафрагмы и мышц брюшной полости при относительном покое стенок грудной клетки. При вдохе плечи опускаются, грудные мышцы ослабевают, диафрагма сокращается и опускается. Это увеличивает отрицательное давление в грудной полости, и заполняется воздухом нижняя часть легких. При этом повышается внутрибрюшное давление и выпячивается живот. Во время выдоха диафрагма расслабляется, поднимается, брюшная стенка возвращается в исходное положение.
Во время диафрагмального дыхания осуществляется массаж внутренних органов. Чаще всего такое дыхание встречается у мужчин. Оно также возникает, когда человек отдыхает, как правило, во время сна.
Нижнее грудное дыхание задействует межреберные мускулы. В результате сокращения мышц, грудная клетка расширяется наружу и вверх, в легкие поступает воздух, и происходит вдох. Во время нижнего дыхания заполняется лишь часть легких, и задействуются только ребра, но остальные части тела остаются неподвижными. В результате не происходит полноценного процесса газообмена.
Нижнее грудное дыхание, как правило, используют женщины. К нему также прибегают люди, которые часто находятся в сидячем положении, т. к. им все время приходится наклоняться вперед для чтения или письма.
Верхнее грудное дыхание происходит за счет работы мускулатуры ключиц. При вдохе ключицы и плечи поднимаются, и в легкие поступает воздух. При этом приходится прилагать много усилий, т. к. частота вдохов и выдохов увеличивается, а поступление кислорода оказывается незначительным. Такое дыхание можно преднамеренно вызвать, если втянуть живот. В верхнем грудном дыхании участвует только незначительная часть легких и газообмен происходит неполноценно. В результате воздух как следует не очищается и не согревается.
К этому типу дыхания прибегают женщины во время родов.
Смешанное или полное дыхание приводит в движение весь дыхательный аппарат. При этом человека работают все виды мускулатуры, и диафрагма, и полностью вентилируются легкие.
Такое дыхание удаляет шлаки, стимулирует обмен веществ, обновляет организм.
При этом дыхание может быть как глубоким, так и поверхностным. Поверхностное дыхание является легким и ускоренным. Частота дыхательных движений составляет до 60 движений в минуту. При этом делается беззвучный вдох и шумный интенсивный выдох. Это позволяет сбросить напряжение со всех мышц тела. При поверхностном типе дыхания легкие лишь частично наполняются воздухом.
Поверхностно дышат только маленькие дети. Чем старше становится ребенок, тем меньше вдохов за минуту он совершает. Дыхание взрослого человека приобретает глубокий характер. Во время глубокого дыхания частота замедляется, легкие максимально наполняются воздухом. Объем вдоха при этом превышает допустимую норму.
Но является ли такое дыхание благотворным для нашего здоровья? И какой вообще тип дыхания является наилучшим?
Энергетические превращения в живой клетке подразделяют на две группы: локализованные в мембранах и протекающие в цитоплазме. В каждом случае для "оплаты" энергетических затрат используется своя "валюта": в мембране это ДмН + или ДмNa + , а в цитоплазме - АТФ, креатинфосфати другие макроэргические соединения. Непосредственным источником АТФ являются процессы субстратного и окислительного фосфорилирования. Процессы субстратного фосфорилирования наблюдаются при гликолизе и на одной из стадий цикла трикарбоновых кислот (реакция сукцинил-КоА - >сукцинат; см. главу 10). Генерация ДмН + и ДмNa, используемых для окислительного фосфорилирования, осуществляется в процессе транспорта электронов в дыхательной цепи энергосопрягающих мембран.
Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может обратимо превращаться в энергию АТФ. Эти процессы катализируются Н + -АТФ-синтазой в мембранах, генерирующих протонный потенциал, или Na + -АТФ-синтазой (Na + -АТФазой) в "натриевых мембранах" алкалофиль-ных бактерий, поддерживающих ДмNa + [Скулачев В.П., 1989]. На рис.9.6 представлена схема энергетики живых клеток, использующих ДмН + в качестве мембранной формы конвертируемой энергии. На схеме видно, что свет или энергия субстратов дыхания утилизируется ферментами фотосинтетической или дыхательной редокс-цепи (у галобактерий - бактериородопсином). Генерируемый потенциал используется для совершения полезной работы, в частности для образования АТФ. Будучи макроэргическим соединением, АТФ выполняет функцию аккумулирования биологической энергии и ее последующего использования для выполнения клеточных функций. "Макроэргичность" АТФ объясняется рядом особенностей его молекулы. Это прежде всего высокая плотность зарядов, сконцентрированная в "хвосте" молекулы, обеспечивающая легкость диссоциации терминального фосфата при водном гидролизе. Продукты этого гидролиза представляют собой АДФ и неорганический фосфат и далее - АМФ и неорганический фосфат. Это обеспечивает высокую величину свободной энергии гидролиза терминального фосфата АТФ в водной среде.
Рис. 9.6
Красной стрелкой показана взаимозаменяемость в клетке двух клеточных видов энергии - АТФ и ДмН + , для которых имеются также специальные буферные системы: креатинфосфат для АТФ (клетки животных) и градиент ионов Na (алкалофильные бактерии).
Тканевое дыхание и биологическое окисление. Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносахаров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также промежуточные продукты распада липидов (жирные кислоты), белков (аминокислоты) и нуклеиновых оснований. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом:
С 6 Н 12 О 6 + 6O 2 = 6СO 2 + 6Н 2 O + 2780 кДж/моль. (1)
Впервые сущность дыхания объяснил А. - Л. Лавуазье (1743-1794), обративший внимание на сходство между горением органических веществ внеорганизма и дыханием животных. Постепенно становились ясными принципиальные различия между этими двумя процессами: в организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ. В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энергетическое обеспечение метаболизма. В развитие концепций биологического окисления в XX в. важнейший вклад внесли А.Н. Бах, О. Варбург, Г. Крепс, В.А. Энгельгардт, В.И. Палладин, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев.
Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей - кожа, мышечная ткань (в покое). Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты (см. главу 10) и протекающего без участия кислорода:
С 6 Н 12 О б = 2С 3 Н 6 О 3 + 65 кДж/моль. (2)
Этот путь отражает, по-видимому, энергетическое обеспечение простейших форм жизни, функционировавших в бескислородных условиях. Современные анаэробные микроорганизмы (осуществляющие молочнокислое, спиртовое и уксуснокислое брожение) получают для жизнедеятельности энергию, производимую в процессе гликолиза или его модификаций.
Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот (см. главу 10), в ходе которого образуются восстановленные дыхательные переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Способность НАД + и НАДФ + играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. При взаимодействии этих кофакторов с атомами водорода имеет место обратимое гидрирование (присоединение атомов водорода):
При этом в молекулу НАД + (НАДФ +) включаются 2 электрона и один протон, а второй протон остается в среде.
Во флавиновых коферментах (ФАД или ФМН), активной частью молекул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстановлениячаще всего наблюдается присоединение 2 протонов и 2 электронов одновременно:
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий или иных энергосопрягающих мембран (см. далее).
Организация и функционирование дыхательной цепи. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий, у дышащих бактерий - в цитоплазматической мембране и специализированных структурах - мезосомах, или тилакоидах. Компоненты дыхательной цепи митохондрий в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала можно расположить, как показано в табл. 9.1.
Молярные соотношения компонентов дыхательной цепи являются постоянными, ее компоненты встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов: НАДН-КоQН 2 -редуктаза (комплекс I), сукцинат-КоQ-редуктаза (комплекс II), КоQН 2 -цитохром c-редуктаза (комплекс III) и цитохром а-цитохромокси-даза (комплекс IV) (рис.9.7).
Если субстратом окисления служат б-кетокислоты, в переносе электронов на НАД + участвуют липоатсодержащие дегидрогеназы. В случае окисления пролина, глутамата, изоцитрата и других субстратов перенос электронов происходит непосредственно на НАД + . Восстановленный НАД вдыхательной цепи окисляется НАДН-дегидрогеназой, содержащей железосерный белок (FeS) и ФМН и прочно связанной с дыхательной цепью.
Рис.9.7
KoQ (убихинон), необходимый компонент дыхательной цепи, является производным бензохинона с боковой цепью, которая у млекопитающих чаще всего представлена 10 изопреноидными единицами (см. главу 7). Как любой хинон, KoQ способен находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивалентов, поставляемых вдыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы. Содержание его значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи.
Дополнительным участником дыхательной цепи является железосерный белок FeS (негемовое железо). Он участвует в окислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному типу. Первый участок локализации FeS находится между ФМН и KoQ, второй - между цитохромами b и c 1 . Это соответствует тому факту, что со стадии ФМН путь протонов и электронов разделяется: первые накапливаются в митохондриальном матриксе, а вторые идут на гидрофобные переносчики - KoQ и цитохромы.
Цитохромы в дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Ионы железа в составе гема при получении и отдаче электронов обратимо изменяют свою валентность.
В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, с 1 , с, а и а 3 . Цитохром а 3 представляет собой терминальный участок дыхательной цепи - цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление цитохрома с и образование воды. Элементарный акт представляет собой двухэлектронное восстановление одного атома кислорода, т.е. каждая молекула кислорода одновременно взаимодействует с двумя электрон-транспортными цепями. При транспорте каждой пары электронов во внутримитохондриальном пространстве может накапливаться до 6 протонов (рис.9.8).
Строение дыхательной цепи интенсивно исследуется. В числе последних достижений молекулярной биохимии - установление тонкой структуры дыхательных ферментов с помощью рентгеноструктурного анализа. С помощью электронного микроскопа с наивысшим доступным в настоящее время разрешением можно "увидеть" структуру цитохромоксидазы (рис.9.9).
Окислительное фосфорилирование и дыхательный контроль. Функция дыхательной цепи - утилизация восстановленных дыхательных переносчиков, образующихся в реакциях метаболического окисления субстратов (главным образом в цикле трикарбоновых кислот). Каждая окислительная реакция в соответствии с величиной высвобождаемой энергии "обслуживается" соответствующим дыхательным переносчиком: НАДФ, НАД или ФАД. Соответственно своим окислительно-восстановительным потенциалам эти соединения в восстановленной форме подключаются к дыхательной цепи (см. рис.9.7). В дыхательной цепи происходит дискриминация протонов и электронов: в то время как протоны переносятся через мембрану, создавая ДрН, электроны движутся по цепи переносчиков от убихинола к цитохромоксидазе, генерируя разность электрических потенциалов, необходимую для образования АТФ протонной АТФ-синтазой. Таким образом, тканевое дыхание "заряжает" митохондриальную мембрану, а окислительное фосфорилирование "разряжает" ее.
Разность электрических потенциалов на митохондриальной мембране, создаваемая дыхательной цепью, которая выступает в качестве молекулярного проводника электронов, является движущей силой для образования АТФ и других видов полезной биологической энергии (см. рис.9.6). Механизмы этих превращений описывает хемиосмотическая концепция превращения энергии в живых клетках. Она была выдвинута П. Митчеллом в 1960 г. для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи и быстро получила международное признание. За развитие исследований в области биоэнергетики П. Митчеллу в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия. В 1997 г.П. Бойеру и Дж. Уокеру была присуждена Нобелевская премия за выяснение молекулярных механизмов действия главного фермента биоэнергетики - протонной АТФ-синтазы.
Рис.9.9 Схематическое изображение цитохромоксидазы с разрешением 0,5 нм (а) и ее активного центра с разрешением 2,8 нм (б) (Печатается с любезного разрешения редакции журнала).
Согласно хемиосмотической концепции, движение электронов по дыхательной цепи является источником энергии для транслокации протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность электрохимических потенциалов (ДмH +) приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую реакцию
АДФ + Р i = АТФ. (3)
В дыхательной цепи есть только 3 участка, где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ (см. рис.9.7), на других этапах возникающая разность потенциалов для этого процесса недостаточна. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования, таким образом, составляет 3, если реакция окисления идет с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через флавиновые дегидрогеназы. Теоретически еще одну молекулу АТФ можно получить в трансгидрогеназной реакции (если процесс начинается с восстановленного НАДФ):
НАДФН + НАД + = НАДФ + + НАДН + 30 кДж/моль. (4)
Обычно в тканях восстановленный НАДФ используется в пластическом обмене, обеспечивая разнообразные синтетические процессы, так что равновесие трансгидрогеназной реакции сильно сдвинуто влево.
Эффективность окислительного фосфорилирования в митохондриях определяется как отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О (коэффициент фосфорилирования). Экспериментально определяемые значения Р/О, как правило, оказываются меньше 3. Это свидетельствует о том, что процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Действительно, окислительное фосфорилирование в отличие от субстратного не является процессом, в котором окисление жестко сопряжено с образованием макроэргов. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны, сберегающей разность потенциалов, создаваемую транспортом электронов. По этой причине соединения, обеспечивающие протонную проводимость (как 2,4-динитрофенол), являются разобщителями.
Несопряженное дыхание (свободное окисление) выполняет важные биологические функции. Оно обеспечивает поддержание температуры тела на более высоком уровне, чем температура окружающей среды. В процессе эволюции у гомойотермных животных и человека сформировались специальные ткани (бурый жир), функцией которых является поддержание постоянной высокой температуры тела за счет регулируемого разобщения окисления и фосфорилирования в митохондриальной дыхательной цепи. Процесс разобщения контролируется гормонами.
В норме скорость митохондриального транспорта электронов регулируется содержанием АДФ. Выполнение клеткой функций с затратой АТФприводит к накоплению АДФ, который в свою очередь активирует тканевое дыхание. Таким образом, клеткам свойственно реагировать на интенсивность клеточного метаболизма и поддерживать запасы АТФ на необходимом уровне. Это свойство называется дыхательным контролем.
За сутки человек потребляет около 550 л (24,75 моля) кислорода. Если считать, что в тканевом дыхании за этот период восстанавливается 40 гатомов кислорода (20 молей), а величину Р/О принять за 2,5, то в митохондриях должно синтезироваться 100 молей, или около 50 кг АТФ! При этом часть энергии окисления субстратов расходуется на совершение полезной работы, не превращаясь в АТФ (см. рис.9.6).
Приведенные данные показывают, как важно организму поддержание процессов жизнедеятельности.
Свободное окисление. Одна из задач свободного (несопряженного) окисления - превращения природных или неприродных субстратов, называемых в этом случае ксенобиотиками (ксено - несовместимый, биос - жизнь). Они осуществляются ферментами диоксигеназами имонооксигеназами. Окисление протекает при участии специализированных цитохромов, локализованных чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот процесс называют микросомальным окислением [Арчаков А.И., 1975].
В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восстановленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р-450 (иногда цитохром b 5). Окисление субстрата протекает по следующей схеме:
SH + O 2 -> SOH. (5)
Механизм действия оксигеназ включает изменение валентности входящих в их состав ионов двухвалентных металлов (железа или меди). Диоксигеназы присоединяют к субстрату молекулярный кислород, активируя его за счет электрона атома железа в активном центре (железо при этом становится трехвалентным). Оксигенация протекает как атака субстрата образующимся супероксид-анионом кислорода. Одной из биологически важных реакций такого типа является превращение в-каротина в витамин А. Монооксигеназы требуют участия в реакции НАДФН, атомы водорода которого взаимодействуют с одним из атомов кислорода, поскольку только один электрон связывается с субстратом. К широко распространенным монооксигеназам относятся разнообразные гидроксилазы. Они принимают участие в окислении аминокислот, оксикислот, полиизопреноидов.