Упражнение 10. Возвращаем молодость кожеНормализуем работу кровеносной системы....
Энергетический обмен - это по-этапный распад сложных органических соединений, протекающий с выделением энергии, которая запасается в макроэргических связях молекул АТФ и используется потом в процессе жизнедеятельности клетки, в том числе на биосинтез, т.е. пластический обмен.
В аэробных организмах выделяют:
- Подготовительный - расщепление биополимеров до мономеров.
- Бескислородный - гликолиз - расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.
- Кислородный - расщепление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды.
Подготовительный этап
На подготовительном этапе энергетического обмена происходит расщепление поступивших с пищей органических соединений на более простые, обычно мономеры. Так углеводы расщепляются до сахаров, в том числе глюкозы; белки - до аминокислот; жиры - до глицерина и жирных кислот.
Хотя при этом выделяется энергия, она не запасается в АТФ и, следовательно, не может быть использована впоследствии. Энергия рассеивается в виде тепла.
Расщепление полимеров у многоклеточных сложноорганизованных животных протекает в пищеварительном тракте под действием выделяющихся сюда железами ферментов. Затем образовавшиеся мономеры всасываются в кровь в основном через кишечник. Уже кровью питательные вещества разносятся по клеткам.
При этом не все вещества разлагаются до мономеров в пищеварительной системе. Расщепление многих происходит непосредственно в клетках, в их лизосомах. У одноклеточных организмов поглощенные вещества попадают в пищеварительные вакуоли, где и перевариваются.
Образовавшиеся мономеры могут использоваться как для энергетического, так и пластического обмена. В первом случае они расщепляются, во-втором – из них синтезируются компоненты самих клеток.
Бескислородный этап энергетического обмена
Бескислородный этап протекает в цитоплазме клеток и в случае аэробных организмов включает только гликолиз - ферментативное многоступенчатое окисление глюкозы и ее расщепление до пировиноградной кислоты , которую также называют пируватом.
Молекула глюкозы включает шесть атомов углерода. При гликолизе она расщепляется до двух молекул пирувата, который включает три атома углерода. При этом отщепляется часть атомов водорода, которые передаются на кофермент НАД, который, в свою очередь, потом будет участвовать в кислородном этапе.
Часть выделяющейся при гликолизе энергии запасается в молекулах АТФ. На одну молекулу глюкозы синтезируется всего две молекулы АТФ.
Энергия, оставшаяся в пирувате, запасенная в НАД, у аэробов далее будет извлечена на следующем этапе энергетического обмена.
В анаэробных условиях, когда кислородный этап клеточного дыхания отсутствует, пируват «обезвреживается» в молочную кислоту или подвергается брожению. При этом энергия не запасается. Таким образом, здесь полезный энергетический выход обеспечивается только малоэффектвным гликолизом.
Кислородный этап
Кислородный этап протекает в митохондриях . В нем выделяют два подэтапа: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Поступающий в клетки кислород используется только на втором. В цикле Кребса происходит образование и выделение углекислого газа.
Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий, осуществляется множеством ферментов. В него поступает не сама молекула пировиноградной кислоты (или жирной кислоты, аминокислоты), а отделившаяся от нее с помощью кофермента-А ацетильная группа, включающая два атома углерода бывшего пирувата. За многоступенчатый цикл Кребса происходит расщепление ацетильной группы до двух молекул CO 2 и атомов водорода. Водород соединяется с НАД и ФАД. Также происходит синтез молекулы ГДФ, приводящей к синтезу потом АТФ.
На одну молекулу глюкозы, из которой образуется два пирувата, приходится два цикла Кребса. Таким образом, образуется две молекулы АТФ. Если бы энергетический обмен заканчивался здесь, то суммарно расщепление молекулы глюкозы давало бы 4 молекулы АТФ (две от гликолиза).
Окислительное фосфорилирование протекает на кристах – выростах внутренней мембраны митохондрий. Его обеспечивает конвейер ферментов и коферментов, образующий так называемую дыхательную цепь, заканчивающуюся ферментом АТФ-синтетазой.
По дыхательной цепи происходит передача водорода и электронов, поступивших в нее от коферментов НАД и ФАД. Передача осуществляется таким образом, что протоны водорода накапливаются с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий, а последние ферменты в цепи передают только электроны.
В конечном итоге электроны передаются молекулам кислорода, находящимся с внутренней стороны мембраны, в результате чего они заряжаются отрицательно. Возникает критический уровень градиента электрического потенциала, приводящий к перемещению протонов через каналы АТФ-синтетазы. Энергия движения протонов водорода используется для синтеза молекул АТФ, а сами протоны соединяются с анионами кислорода с образованием молекул воды.
Энергетический выход функционирования дыхательной цепи, выраженный в молекулах АТФ, велик и суммарно составляет от 32 до 34 молекул АТФ на одну исходную молекулу глюкозы.
Аэробное дыхание - это окислительный процесс, в ходе которого расходуется кислород . При дыхании субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с высоким выходом энергии. Важнейшими субстратами для дыхания служат углеводы. Кроме того, при дыхании могут расходоваться жиры и белки.
Аэробное дыхание включает два основных этапа:
1. бескислородный , в процессе которого происходит постепенное расщепление субстрата с высвобождением атомов водорода и связыванием с коферментами (переносчиками типа НАД и ФАД);
2. кислородный , в ходе которого происходит дальнейшее отщепление атомов водорода от производных дыхательного субстрата и постепенное окисление атомов водорода в результате переноса их электронов на кислород.
На первом этапе вначале высокомолекулярные органические вещества (полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.) под действием ферментов расщепляются на более простые соединения (глюкозу, высшие карбоновые кислоты, глицерол, аминокислоты, нуклеотиды и т. п). Этот процесс происходит в цитоплазме клеток и сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла. Далее происходит ферментативное расщепление простых органических соединений.
Примером такого процесса является гликолиз - многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы. В реакциях гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (С 6) расщепляется на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (С 3). При этом образуются две молекулы АТФ, и выделяются атомы водорода. Последние присоединяются к переносчику НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), который переходит в свою восстановленную форму НАД ∙ Н + Н + . НАД - кофермент, близкий по своей структуре к НАДФ. Оба они представляют собой производные никотиновой кислоты - одного из витаминов группы В. Молекулы обоих коферментов электроположительны (у них отсутствует один электрон) и могут играть роль переносчика как электронов, так и атомов водорода. Когда акцептируется пара атомов водорода, один из атомов диссоциирует на протон и электрон:
H → H + + e — ,
а второй присоединяется к НАД или НАДФ целиком:
НАД + + Н + [Н + + е — ] → НАД ∙ Н + Н + .
Свободный протон позднее используется для обратного окисления кофермента.
Суммарно реакция гликолиза имеет вид
С 6 Н 12 O 6 + 2АДФ + 2Н 3 РO 4 + 2НАД + → 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 2НАД ∙ Н + Н + + 2Н 2 O.
Продукт гликолиза - пировиноградная кислота (С 3 Н 4 O 3) – заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Здесь происходит полное окисление пировиноградной кислоты до СO 2 и Н 2 O. Этот процесс можно разделить на три основные стадии:
1) окислительное декарбоксилирование пировинофадной кислоты, 2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса); 3) заключительная стадия окисления - электронтранспортная цепь.
На первой стадии пировиноградная кислота взаимодействует с веществом, которое называют коферментом А (сокращенно его обозначают КоА), в результате чего образуется адетилкофермент А с высокоэнергетической связью. При этом от молекулы пировиноградной кислоты отщепляется молекула СO 2 (первая) и атомы водорода, которые запасаются в форме НАД ∙ Н + Н + .
Вторая стадия - цикл Кребса (названный так в честь открывшего его английского ученого Ганса Кребса).
В цикл Кребса вступает ацетил-КоА, образованный на предыдущей стадии. Ацетил-КоА взаимодействует со щавелево-уксусной кислотой (четырехутлеродное соединение), в результате образуется шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее превращение идет через образование ряда органических кислот, в результате чего ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул СO 2 . При декарбоксилировании для окисления атомов углерода до СO 2 используется кислород, отщепляемый от молекул воды. В конце цикла щавелево-уксусная кислота регенерируется в прежнем виде. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. В процессе цикла используются три молекулы воды, выделяются две молекулы СO 2 и четыре пары атомов водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД - флавина-дениндинуклеотид и НАД). Суммарно реакция цикла может быть выражена следующим уравнением:
ацетил-КоА + ЗН 2 O + ЗНАД + + ФАД + АДФ + H 3 PO 4 → КоА + 2СO 2 + ЗНАД ∙ Н + Н + + ФАД ∙ Н 2 + АТФ.
Таким образом, в результате распада одной молекулы пировиноградной кислоты в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК и цикла Кребса) выделяется ЗСO 2 , 4НАД ∙ Н + Н + , ФАД ∙ Н 2 .
Суммарно реакцию гликолиза, окислительного декарбоксилирования и цикла Кребса можно записать в следующем виде:
С 6 Н 12 O 6 + 6Н 2 O + 10НАД + 2ФАД → 6СO 2 + 4АТФ + 10НАД ∙ Н + Н + + 2ФАД ∙ Н 2 .
Третья стадия - электронтранспортная цепь.
Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до Н 2 O с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это тогда, когда водород, отделившийся от НАД ∙ Н 2 и ФАД ∙ Н 2 , передается по цепи переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Пары атомов водорода 2Н можно рассматривать как 2Н + + 2е — . Именно в таком виде они и передаются по цепи переносчиков. Путь переноса водорода и электронов от одной молекулы переносчика к другой представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или атом водорода, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или атом водорода, восстанавливается. Движущей силой транспорта атомов водорода в дыхательной цели является разность потенциалов.
С помощью переносчиков ионы водорода Н + переносятся с внутренней стороны мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство.
При переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану три раза, и этот процесс сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны шести протонов. На заключительном этапе электроны переносятся на внутреннюю сторону мембраны и акцептируются кислородом.
½O 2 + 2e — → O 2- .
В результате такого переноса ионов Н + на внешнюю сторону мембраны митохондрий в перимитохондриальном пространстве создается повышенная концентрация их, т. е. возникает электрохимический градиент протонов (ΔμН +).
Протонный градиент представляет собой как бы резервуар свободной энергии. Эта энергия используется при обратном потоке протонов через мембрану для синтеза АТФ. В ряде случаев может наблюдаться непосредственное использование энергии протонного градиента (ΔμН +). Она может обеспечивать осмотическую работу и транспорт веществ через мембрану против градиента их концентрации, использоваться на механическую работу и др. Таким образом, клетка располагает двумя формами энергии - АТФ и ΔμH + . Первая форма - химическая. АТФ растворяется в воде и легко используется в водной фазе. Вторая (ΔμH +) - электрохимическая - неразрывно связана с мембранами. Эти две формы энергии могут переходить друг в друга. При образовании АТФ используется энергия ΔμH + , при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в виде ΔμH + .
Когда протонный градиент достигает определенной величины, ионы водорода из Н + -резервуара движутся по специальным каналам в мембране, и их запас энергии используется для синтеза АТФ. В матриксе они соединяются с заряженными частичками О 2- , и образуется вода: 2Н + + О 2- → Н 2 O.
Процесс образования АТФ в результате переноса ионов Н + через мембрану митохондрии получил название окислительного фосфорилирования . Он осуществляется при участии фермента АТФ-синтетазы. Молекулы АТФ-синтетазы располагаются в виде сферических гранул на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.
В результате расщепления двух молекул пировиноградной кислоты и переноса ионов водорода через мембрану по специальным каналам синтезируется в целом 36 молекул АТФ (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в результате переноса ионов Н + через мембрану).
Следует обратить внимание на то, что ферментные системы ориентированы в митохондриях противоположно тому, как это имеет место в хлоропластах: в хлоропластах Н + -резервуар находится с внутренней стороны внутренней мембраны, а в митохондриях - с ее наружной стороны; при фотосинтезе электроны движутся в основном от воды к переносчикам атомов водорода, при дыхании же переносчики водорода, передающие электроны в электронтранспортную цепь, находятся с внутренней стороны мембраны, а электроны в конечном счете включаются в образующиеся молекулы воды.
Кислородный этап, таким образом, дает энергии в 18 раз больше, чем ее запасается в результате гликолиза. Суммарное уравнение аэробного дыхания можно выразить следующим образом:
С 6 Н 12 О 6 + 6O 2 + 6Н 2 O + 38АДФ + З8Н 3 РО 4 → 6СO 2 + 12Н 2 O + 38АТФ.
Совершенно очевидно, что аэробное дыхание прекратится в отсутствие кислорода, поскольку именно кислород служит конечным акцептором водорода. Если клетки не получают достаточного количества кислорода, все переносчики водорода вскоре полностью насытятся и не смогут передавать его дальше. В результате основной источник энергии для образования АТФ окажется блокированным.
Во всех живых клетках
Глюкоза окисляется кислородом
До углекислого газа и воды,
При этом выделяется энергия.
Клеточное дыхание (средняя сложность)
0. Подготовительная стадия
В пищеварительной системе сложные органические вещества распадаются до более простых (белки до аминокислот, крахмал до глюкозы, жиры до глицерина и жирных кислот и т.п.). При этом выделяется энергия, которая рассеивается в форме тепла.
1. Гликолиз
Происходит в цитоплазме, без участия кислорода (анаэробно). Глюкоза окисляется до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется энергия в виде 2 АТФ и богатых энергией электронов на переносчиках.
2. Окисление ПВК в митохондриях
Происходит в митохондриях. ПВК окисляется кислородом до углекислого газа, при этом образуются богатые энергией электроны. Они восстанавливают кислород, при этом образуется вода и энергия на 36 АТФ.
Брожение и кислородное дыхание
Брожение состоит из гликолиза (2 АТФ) и превращения ПВК в молочную кислоту или спирт + углекислый газ (0 АТФ). Итого 2 АТФ.
Кислородное
дыхание состоит из гликолиза (2 АТФ) и окисления ПВК в митохондриях (36 АТФ). Итого 38 АТФ.
Митохондрии
Покрыты двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет выросты внутрь - кристы, они увеличивают площадь внутренней мембраны, чтобы расположить на ней как можно больше ферментов клеточного дыхания.
Внутренняя среда митохондрии называется матрикс. В нем находятся кольцевая ДНК и мелкие (70S) рибосомы, за счет них митохондрии самостоятельно делают для себя часть белков, поэтому их называют полуавтономными органоидами.
В процессе полного расщепления глюкозы образовалось 684 молекулы АТФ. Сколько молекул глюкозы подверглось расщеплению? Сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза? Запишите два числа в порядке, указанном в задании, без разделителей (пробелов, запятых и т.п.).
Ответ
В процессе гликолиза образовалось 84 молекулы пировиноградной кислоты. Какое число молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образуется при её полном окислении? Запишите два числа в порядке, указанном в задании, без разделителей (пробелов, запятых и т.п.).
Ответ
В диссимиляцию вступило 15 молекул глюкозы. Определите количество АТФ после гликолиза, после энергетического этапа и суммарный эффект диссимиляции. Запишите три числа в порядке, указанном в задании, без разделителей (пробелов, запятых и т.п.).
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Расщепление липидов до глицерина и жирных кислот происходит в
1) подготовительную стадию энергетического обмена
2) процессе гликолиза
3) кислородную стадию энергетического обмена
4) ходе пластического обмена
Ответ
Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания процесса кислородного дыхания. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) аэробный процесс
2) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты
3) образуется 36 молекул АТФ
4) осуществляется в митохондриях
5) энергия аккумулируется в двух молекулах АТФ
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Сколько молекул АТФ запасается в процессе гликолиза?
1) 2
2) 32
3) 36
4) 40
Ответ
1. Установите соответствие между процессами и этапами катаболизма: 1) подготовительный, 2) гликолиз, 3) клеточное дыхание. Запишите цифры 1, 2, 3 в порядке, соответствующем буквам.
А) синтез 2 молекул АТФ
Б) окисление пировиногразной кислоты до углекислого газа и воды
В) гидролиз сложных органических веществ
Г) расщепление глюкозы
Д) рассеивание выделевшейся энергии в виде тепла
Е) синтез 36 молекул АТФ
Ответ
2. Установите соответствие между характеристиками и этапами энергетического обмена: 1) подготовительный, 2) бескислородный, 3) кислородный. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) образуется пировиноградная кислота
Б) процесс протекает в лизосомах
В) синтезируется более 30 молекул АТФ
Г) образуется только тепловая энергия
Д) процесс протекает на кристах митохондрий
Е) процесс протекает в гиалоплазме
Ответ
3. Установите соответствие между процессами и этапами энергетического обмена: 1) подготовительный, 2) анаэробный, 3) аэробный. Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам.
А) гидролитиечское расщепление органических веществ
Б) бескислородное расщепление глюкозы
В) циклические реакции
Г) образование ПВК
Д) протекание в митохондриях
Е) рассеивание энергии в виде тепла
Ответ
Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, описывают реакции, происходящие в ходе энергетического обмена у человека. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) образование кислорода из воды
2) синтез 38 молекул АТФ
3) расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты
4) восстановление углекислого газа до глюкозы
5) образование углекислого газа и воды в клетках
Ответ
Установите соответствие между процессом и этапом энергетического обмена, на котором этот процесс происходит: 1) бескислородный, 2) кислородный. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) транспорт электронов по цепи переноса
Б) полное окисление до СО2 и Н2О
В) образование пировиноградной кислоты
Г) гликолиз
Д) синтез 36 молекул АТФ
Ответ
1. Установите последовательность этапов окисления молекул крахмала в ходе энергетического обмена
1) образование молекул ПВК (пировиноградной кислоты)
2) расщепление молекул крахмала до дисахаридов
3) образование углекислого газа и воды
4) образование молекул глюкозы
Ответ
2. Установите последовательность процессов, протекающих на каждом этапе энергетического обмена человека.
1) расщепление крахмала до глюкозы
2) полное окисление пировиноградной кислоты
3) поступление мономеров в клетку
4) гликолиз, образование двух молекул АТФ
Ответ
3. Установите последовательность процессов, происходящих при обмене углеводов в организме человека. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) расщепление крахмала под действием ферментов слюны
2) полное окисление до углекислого газа и воды
3) расщепление углеводов под действием ферментов поджелудочного сока
4) анаэробное расщепление глюкозы
5) всасывание глюкозы в кровь и транспорт к клеткам тела
Ответ
4. Установите последовательность процессов окисления молекулы крахмала в ходе энергетического обмена. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) образование лимонной кислоты в митохондрии
2) расщепление молекул крахмала до дисахаридов
3) образование двух молекул пировиноградной кислоты
4) образование молекулы глюкозы
5) образование углекислого газа и воды
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. На подготовительной стадии энергетического обмена исходными веществами являются
1) аминокислоты
2) полисахариды
3) моносахариды
4) жирные кислоты
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Где протекает анаэробный этап гликолиза?
1) в митохондриях
2) в легких
3) в пищеварительной трубке
4) в цитоплазме
Ответ
1. Установите соответствие между характеристикой энергетического обмена и его этапом: 1) гликолиз, 2) кислородное окисление
А) происходит в анаэробных условиях
Б) происходит в митохондриях
В) образуется молочная кислота
Г) образуется пировиноградная кислота
Д) синтезируется 36 молекул АТФ
Ответ
2. Установите соответствие между признаками и этапами энергетического обмена: 1) гликолиз, 2) дыхание. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) протекает в цитоплазме
Б) запасается 36 молекул АТФ
В) протекает на кристах митохондрий
Г) образуется ПВК
Д) протекает в матриксе митохондрий
Ответ
3. Установите соответствие между характеристикой и этапом обмена веществ, к которому её относят: 1) гликолиз, 2) кислородное расщепление. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) расщепляется ПВК до СО2 и Н2О
Б) расщепляется глюкоза до ПВК
В) синтезируется две молекулы АТФ
Г) синтезируется 36 молекул АТФ
Д) возник на более позднем этапе эволюции
Е) происходит в цитоплазме
Ответ
Установите соответствие между процессами энергетического обмена и его этапами: 1) бескислородный, 2) кислородный. Напишите цифры 1 и 2 в правильной последовательности.
А) расщепление глюкозы в цитоплазме
Б) синтез 36 молекул АТФ
Г) полное окисление веществ до СО2 и Н2О
Д) образование пировиноградной кислоты
Ответ
1. Установите соответствие между характеристикой энергетического обмена веществ и его этапом: 1) подготовительный, 2) гликолиз. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) происходит в цитоплазме
Б) происходит в лизосомах
В) вся освобождаемая энергия рассеивается в виде тепла
Г) за счет освобождаемой энергии синтезируются 2 молекулы АТФ
Д) расщепляются биополимеры до мономеров
Е) расщепляется глюкоза до пировиноградной кислоты
Ответ
2. Установите соответствие между процессами и этапами клеточного дыхания: 1) подготовительный, 2) гликолиз. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) протекает в гиалоплазме клеток
Б) происходит при участии гидролитических ферментов лизосом
В) расщепление биополимеров до мономеров
Г) процесс образования энергии для анаэробов
Д) образуется ПВК
Ответ
Какие утверждения об этапах энергетического обмена верны? Определите три верных утверждения и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Анаэробный этап энергетического обмена протекает в кишечнике.
2) Анаэробный этап энергетического обмена протекает без участия кислорода.
3) Подготовительный этап энергетического обмена – это расщепление макромолекул до мономеров.
4) Аэробный этап энергетического обмена протекает без участия кислорода.
5) Аэробный этап энергетического обмена протекает до образования конечных продуктов СО2 и Н2О.
Ответ
Установите соответствие между процессом и этапом энергетического обмена, в котором он происходит: 1) бескислородный, 2) кислородный
А) расщепление глюкозы
Б) синтез 36 молекул АТФ
В) образование молочной кислоты
Г) полное окисление до СО2 и Н2О
Д) образование ПВК, НАД-2Н
Ответ
1. Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для написания изображенного на рисунке органоида эукариотической клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны:
3) двумембранный органоид
4) осуществляет синтез АТФ
5) размножается путем деления
Ответ
2. Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для написания изображенного на рисунке органоида эукариотической клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны:
1) внутренняя мембрана образует тилакоиды
2) внутренняя полость органоида – строма
3) двумембранный органоид
4) осуществляет синтез АТФ
5) размножается путем деления
Ответ
3. Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания митохондрий. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) не делятся в течение жизни клетки
2) имеют собственный генетический материал
3) являются одномембранными
4) содержат ферменты окислительного фосфорилирования
5) имеют двойную мембрану
Ответ
4. Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания строения и функций митохондрий. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) расщепляют биополимеры до мономеров
2) содержат соединённые между собой граны
3) имеют ферментативные комплексы, расположенные на кристах
4) окисляют органические вещества с образованием АТФ
5) имеют наружную и внутреннюю мембраны
Ответ
5. Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания строения и функций митохондрий. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) расщеплении биополимеров до мономеров
2) расщеплении молекул глюкозы до пировиноградной кислоты
3) окислении пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды
4) запасании энергии в молекулах АТФ
5) образовании воды при участии атмосферного кислорода
Ответ
Все перечисленные ниже процессы, кроме двух, относятся к энергетическому обмену. Определите два процесса, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) дыхание
2) фотосинтез
3) синтез белка
4) гликолиз
5) брожение
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Чем характеризуются процессы биологического окисления
1) большой скоростью и быстрым выделением энергии в виде тепла
2) участием ферментов и ступенчатостью
3) участием гормонов и малой скоростью
4) гидролизом полимеров
Ответ
Выберите три особенности строения и функций митохондрий
1) внутренняя мембрана образует граны
2) входят в состав ядра
3) синтезируют собственные белки
4) участвуют в окислении органических веществ до углекислого газа и воды
5) обеспечивают синтез глюкозы
6) являются местом синтеза АТФ
Ответ
Реакции подготовительного этапа энергетического обмена происходят в
1) хлоропластах растений
2) каналах эндоплазматической сети
3) лизосомах клеток животных
4) органах пищеварения человека
5) аппарате Гольджи эукариот
6) пищеварительных вакуолях простейших
Ответ
Что характерно для кислородного этапа энергетического процесса?
1) протекает в цитоплазме клетки
2) образуются молекулы ПВК
3) встречается у всех известных организмов
4) протекает процесс в матриксе митохондрий
5) наблюдается высокий выход молекул АТФ
6) имеются циклические реакции
Ответ
Проанализируйте таблицу «Этапы энергетического обмена углеводов в клетке». Для каждой ячейки, обозначенной буквой, выберите соответствующий термин или соответствующее понятие из предложенного списка.
1) аппарат Гольджи
2) лизосомы
3) образование 38 молекул АТФ
4) образование 2 молекул АТФ
5) фотосинтез
6) темновая фаза
7) аэробный
8) пластический
Ответ
Проанализируйте таблицу «Энергетический обмен». Для каждой буквы выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) анаэробный
2) кислородный
3) пресинтетический
4) подготовительный
5) две молекулы пировиноградной кислоты
6) две молекулы АТФ
7) окислительное фосфорилирование
8) гликолиз
Ответ
Установите соответствие между процессами и этапами энергетического обмена: 1) бескислородный, 2) подготовительный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) расщепляются молекулы крахмала
Б) синтезируются 2 молекулы АТФ
В) протекают в лизосомах
Г) участвуют гидролитические ферменты
Д) образуются молекулы пировиноградной кислоты
Ответ
Известно, что митохондрии – полуавтономные органоиды клеток аэробных эукариотических организмов. Выберите из приведенного ниже текста три утверждения, по смыслу относящиеся к описанным выше признакам, и запишите цифры, под которыми они указаны. (1) Митохондрии - достаточно крупные органоиды, занимают значительную часть цитоплазмы клетки. (2) Митохондрии имеют свою собственную кольцевую ДНК и мелкие рибосомы. (3) С помощью микросъемки живых клеток удалось обнаружить, что митохондрии подвижны и пластичны. (4) Клетки организмов, нуждающихся в свободном молекулярном кислороде для процессов дыхания, в митохондриях окисляют ПВК до углекислого газа и воды. (5) Митохондрии можно назвать энергетическими станциями клетки, так как выделяющаяся в них энергия запасается в молекулах АТФ. (6) Ядерный аппарат регулирует все процессы жизнедеятельности клетки, включая деятельность митохондрий.
Ответ
© Д.В.Поздняков, 2009-2019
Лекция № 8
Клеточное дыхание происходит в митохондриях. Во внутренней мембране этого органоида сосредоточены электронтранспортная (дыхательная) цепь, обеспечивающая межмолекулярный перенос электронов с субстратов клеточного дыхания на молекулярный кислород (процесс биологического окисления), и система сопряжения окисления с фосфорилированием (синтез АТФ из АДФ).
Молекула АТФ впервые была выделена Фиске и Субарроу из экстрактов скелетных мышц в 1929 г. Через 2 года отечественный биохимик В.А. Энгельгардт обнаружил связь между синтезом АТФ и клеточным дыханием. Еще через 10 лет Липман сформулировал положение о том, что АТФ является универсальной «энергетической валютой» в организме человека и животных, поскольку выполняет миссию посредника между внешним источником энергии (Солнцем) и полезной работой биологических систем.
Биологическое окисление. Все субстраты клеточного дыхания, являющиеся продуктами расщепления углеводов, белков и жиров, поставляют в митохондрии протоны (Н +) и π -электроны, которые на пути к кислороду должны передаваться по эстафете от одного вещества другому в митохондриальной дыхательной цепи. В таком путешествии электроны отдают свою энергию на синтез АТФ не одномоментно и не в одном пункте, а порциями на ступенях каскада молекул, стоящих в мембране в строгом порядке, предопределенном их восстановительными потенциалами, т. е. сродством к электронам (чем больше величина положительного восстановительного потенциала, тем выше степень сродства к электронам).
Каскад переноса π -электронов по дыхательной цепи митохондрий иллюстрирует схема (рис. 32). Каждый ее компонент (кофермент или кофактор макромолекулы), а их более 15 (на схеме показаны не все), обладает свойствами окислительно-восстановительной пары. В окисленном состоянии такая молекула является акцептором электронов, причем они поступают на нее не в одиночку, а попарно. Приняв пару электронов, молекула восстанавливается и приобретает свойства электронного донора. Так, окисленный никотинамидадениндинуклеотид (НАД +), приняв пару электронов, восстанавливается до НАДН и теперь служит основным донором электронов для дыхательной цепи. В реакциях, в которых образуется НАДН, от молекулы субстрата одновременно отнимаются 2 атома Н, которые дают 1 гидрид-ион (атом водорода с добавочным электроном − Н: -) и 1 протон. Кроме НАДН, поставщиками электронов в дыхательную цепь могут быть сукцинат, глицерофосфат и другие вещества, но тогда синтезируется меньше молекул АТФ.
Рис. 32. Схема межмолекулярного переноса π-электронов по дыхательной цепи митохондрий: слева − восстановительные потенциалы редокс-пар компонентов дыхательной цепи, справа − перепады свободной энергии на каждом из трех этапов выброса протонов в цитозоль.
При переносе одной пары электронов с НАДН на кислород образуются 3 молекулы АТФ, причем электронный транспорт по дыхательной цепи начинается с того, что у НАДН отбирается гидрид-ион (Н: -). При этом регенерируется НАД + , а гидрид-ион превращается в Н + и 2е - .
НАДН − довольно устойчивое соединение. Для отрыва от него электронов необходима большая сила. Такой силой служит разность восстановительных потенциалов между редокс-парами: никотинамидадениндинуклеотида (НАД + /НАДН) и первого компонента дыхательной цепи − флавопротеида (его коферментом служит флавинмононуклеотид − ФМН). У этого вещества стандартный восстановительный потенциал редокс-пары составляет 0,30 В, тогда как у НАД+/НАДН он равен − 0,32 В. Разница составляет всего 0,02 В, но расстояние между соседними молекулами, образующими дыхательную цепь во внутренней мембране митохондрии, − не более 2,5 нм. Поэтому напряженность электрического поля между НАДН и окисленным ФМН очень большая (порядка 10 7 В·м -1), причем ФМН имеет более положительный потенциал, чем предыдущая редокс-пара, и «стягивает» на себя π-электроны с НАДН.
Отдав электроны, НАДН окисляется до НАД + , и теперь эта редокс-пара готова принять новую пару электронов, а окисленный ФМН, отобравший электроны от НАДН, восстанавливается. Следующий компонент электрон-транспортной цепи (см. рис. 33) − коэнзим Q , молекула которого имеет «хвост» из 10 изопреновых единиц, который удерживает ее во внутренней мембране митохондрий. Эта молекула обладает свойствами редокс-пары, стандартный восстановительный потенциал которой составляет +0,07 В. Он отбирает пару электронов от ФМН и восстанавливается, а его предшественник при этом окисляется и становится акцептором π -электронов.
За коэнзимом Q в митохондриальной мембране стоят несколько цитохромов (в, с 1 , с, а + а 3). Цитохромы в, с 1 , с содержат в качестве кофактора ион железа, способный совершать превращения из окисленной (Fe 3+) в восстановленную (Fe 2+) форму и обратно. Комплекс цитохромов (а + а 3) называется цитохромоксидазой и содержит не только железо, но и медь. Чем дальше стоит цитохром от коэнзима Q , тем все более положителен восстановительный потенциал его редокс-пары: от цитохрома в (+0,12 В) до цитохромоксидазы (+0,55 В). С цитохромоксидазы пара π -электронов поступает на кислород и восстанавливает его до воды. Стандартный восстановительный потенциал редокс-пары: О 2 /Н 2 О равен +0,82 В, т. е. О 2 обладает наибольшим сродством к электронам.
Таким образом, при переносе пары π -электронов с НАД на О 2 разность восстановительных потенциалов составляет 1,14 В (от -0,32 В до + 0,82 В). Между перепадами стандартного восстановительного потенциала (U ) и изменениями свободной энергии системы (G ) существует прямо пропорциональная зависимость:
(33)
где п − количество переносимых электронов (n = 2), F − число Фарадея (F = 96484 Кл·моль -1).
Согласно расчету, изменение свободной энергии π -электронов при их межмолекулярном переносе от НАД до О 2 составляет − 220 кДж · моль -1 . Знак минус означает, что переносимые π -электроны теряют в дыхательной цепи свою энергию. Но она тратится не понапрасну. «Львиная доля» (от 43 до 60%) идет на синтез АТФ, в тепло преобразуется сравнительно небольшая ее часть (около 15%), а за счет остальной энергии работают системы активного транспорта в митохондриальной мембране.
Сопоставляя шкалы восстановительных потенциалов компонентов систем фотосинтеза и дыхательной цепи, нетрудно убедиться в том, что солнечная энергия, конвертированная π -электронами при фотосинтезе, затрачивается преимущественно на клеточное дыхание (на синтез АТФ). За счет поглощения двух фотонов обеими фотосистемами (ФС II и ФС I) π -электроны переносятся от Р 680 до ферредоксина, увеличивая свою свободную энергию примерно на 241 кДж · моль -1 . Ее небольшая часть расходуется при переносе π -электронов в зеленых растениях с ферредоксина на НАДФ + . В результате синтезируются вещества, которые затем становятся пищей для гетеротрофов и превращаются в субстраты клеточного дыхания. В начале дыхательной цепи запас свободной энергии π -электронов составляет 220 кДж · моль -1 . Значит, до этого энергия π -электронов, аккумулировавших солнечную энергию, понизилась всего на 21 кДж · моль -1 . Следовательно, более 90% солнечной энергии, запасенной в зеленых растениях, доносится возбужденными π -электронами до дыхательной цепи митохондрий животных и человека.
Конечным продуктом окислительно-восстановительных реакций в дыхательной цепи митохондрий является вода. В ходе биологического окисления у человека в покое за сутки образуется около 300 мл так называемой эндогенной воды окисления. При усилении метаболизма образование эндогенной воды окисления усиливается. Ее объем определяется массой окисленных субстратов клеточного дыхания: при окислении 100 г жира образуется примерно 100 мл воды, тогда как окисление 100 г белка и 100 г углеводов дает соответственно 40 и 50 мл воды.
Благодаря поглощению фотонов электроны достигают наивысшего биопотенциала в фотосистемах растений. С этого высокого энергетического уровня они дискретно (по ступенькам) спускаются на самый низкий в биосфере энергетический уровень − уровень воды. Энергия, отдаваемая электронами на каждой ступеньке этой лестницы, превращается в энергию химических связей и таким образом движет жизнью животных и растений.
Электроны воды «оживляются» в процессе фотосинтеза, пополняя электронный фонд хлорофилла Р 680 по мере потери им своих π -электронов под действием Солнца, а клеточное дыхание снова порождает воду, электроны которой не способны придать ей химическую активность в организме животных и человека.
Для окислительного фосфорилирования важна мембранная организация системы клеточного дыхания, обеспечивающая строгую упорядоченность взаимного расположения молекул, образующих каскад электрон-транспортной цепи и весь молекулярный ансамбль сопряжения процессов окисления и фосфорилирования. Реконструкция дыхательной цепи была безуспешной до тех пор, пока Э. Рэкер не догадался расположить ее компоненты (переносчики π -электронов) в митохондриальной мембране асимметрично. Одни переносчики сосредоточены на наружной стороне внутренней митохондриальной мембраны, другие − на внутренней, третьи (цитохромоксидаза) − пронизывают ее насквозь, а протонная помпа (F) не только «прошивает» всю мембрану, но и выступает в матрикс. Векторные структурно-топографические особенности молекулярной организации внутренней мембраны митохондрий являются необходимым условием для превращения энергии возбужденных π -электронов в свободную энергию концевой фосфатной связи АТФ.
Сопряжение окисления и фосфорилирования. Кроме π -электронов, транспортируемых от молекулы к молекуле по дыхательной цепи вдоль внутренней мембраны митохондрий, через нее (поперек) переносятся некоторые частицы: элементарные (протоны) и гораздо более крупные (например, молекулы АТФ). Транспорт протонов обеспечивает сопряжение окисления и фосфорилирования. Важнейшая роль в этом процессе принадлежит Н-АТФазе (протонной помпе), встроенной во внутреннюю митохондриальную мембрану.
За счет свободной энергии, выделяемой при транспорте по дыхательной цепи (ДЦ) пары электронов, образуются 3 молекулы АТФ. В так называемых стандартных условиях, когда концентрации АТФ, АДФ и ортофосфорной кислоты равны 1 моль · л -1 , величину изменения свободной энергии (G ) при гидролизе АТФ называют изменением стандартной свободной энергии для данной реакции (G 0 ) − оно равно 31,4 кДж·моль -1 . В других условиях G отличается от G 0 . Так, при концентрациях АТФ, АДФ и Н 3 РО 4 , свойственных клеткам в физиологических условиях, энергия гидролиза АТФ (равно как и энергия синтеза АТФ из АДФ и Н 3 РО 4) может достигать 45 кДж·моль -1 .
Число молекул АТФ, синтезированных при окислении того или иного вещества, определяется количеством пар электронов, поставляемых им в дыхательную цепь. В целом восстановление О 2 до Н 2 О может быть представлено в виде реакций:
Значит, в дыхательной цепи с предшествующих этапов расщепления органических веществ в клетке должны поступать атомы водорода, являющиеся непосредственными источниками электронов, переносимых по ней. По утверждению А. Сент-Дьердьи, «водород − это топливо жизни, и ни один электрон в живых системах не способен двигаться, если его не сопровождает водород». В конечном счете все субстраты клеточного дыхания поставляют в дыхательную цепь протоны и электроны. Они образуются главным образом при расщеплении воды, катализируемом специальными ферментными системами. Среди них важнейшая роль в качестве предварительной стадии окислительного фосфорилирования принадлежит так называемому циклу Кребса. От него начинаются пути многих биосинтетических процессов (синтез углеводов, липидов, белков и других сложных органических соединений).
Вместе с тем он служит основным поставщиком электронов и протонов на НАД + . В реакциях цикла Кребса образуются СО 2 , Н + и электроны, восстанавливающие НАД + до НАДН. Основное назначение цикла Кребса в клеточном дыхании состоит в повышении выхода свободной энергии из органических соединений путем катализа расщепления воды для образования большего количества протонов и электронов, поставляемых далее в дыхательную цепь.
Для получения общего представления о значимости окислительного фосфорилирования в энергетическом обеспечении организма полезно количественно оценить синтез АТФ при расщеплении глюкозы. В ней заключена свободная энергия в 2879 кДж·моль -1 (примерно 685 ккал·моль -1). Первой стадией расщепления глюкозы служит гликолиз, в ходе которого каждая молекула распадается на 2 молекулы пировиноградной кислоты. При этом потребляются 2 и синтезируются 4 молекулы АТФ. Суммарно в результате превращения 1 моля глюкозы в пируват организм получает 2 моля АТФ. Процесс идет в анаэробных условиях. В отсутствие кислорода пировиноградная кислота затем восстанавливается до молочной, которая выводится из организма. Огромная энергия, заключенная в этом веществе, не используется организмом. Эффективность использования энергии при анаэробном гликолизе ничтожна − около 2%.
В аэробных условиях 2 молекулы пировиноградной кислоты, образовавшиеся при распаде молекулы глюкозы, не восстанавливаются, а окисляются далее до СО 2 с участием цикла Кребса и дыхательной цепи. В цикле Кребса синтезируются еще 2 молекулы АТФ. Далее в дыхательную цепь поставляются 12 пар электронов, но две из них поступают не на НАД + , а через флавопротеиды на кофермент Q , обеспечивая синтез двух, а не трех молекул АТФ в расчете на пару электронов (см. рис. 32). Следовательно, за счет транспорта по дыхательной цепи этих двух пар электронов, миновавших НАД + , синтезируются 4 молекулы АТФ. Остальные 10 пар электронов переносятся по дыхательной цепи от НАДН до О 2 , и за счет них синтезируются 30 молекул АТФ.
В целом при окислении 1 моля глюкозы происходит образование 38 молей АТФ. Эффективность использования свободной энергии при аэробном окислении глюкозы составляет при таком расчете около 42%:
(34)
Это нижняя граница возможных значений. Если же принять во внимание физиологические концентрации различных ингредиентов окисления и фосфорилирования, то энергия гидролиза АТФ в клетке, как уже говорилось, достигает от 31,4, до 45 кДж·моль -1 , и эффективность использования свободной энергии при синтезе АТФ в ходе аэробного окисления глюкозы оценивается в 60%. Вместе с тем не вся остальная энергия (40%) рассеивается в виде тепла. Много энергии затрачивает митохондрия на активный транспорт веществ через ее мембраны, т. е. преобразуется также в один из видов полезной работы организма. В сумме синтез АТФ и трансмембранный перенос веществ используют более 75% свободной энергии, освобождающийся при биологическом окислении глюкозы.
При окислении жиров образуется больше АТФ, чем при окислении углеводов. Например, окисление 1 моля пальмитиновой кислоты дает 129 молей АТФ, но на это уходит гораздо больше кислорода, чем на окисление глюкозы. Чтобы синтезировать 1 моль АТФ в миокарде посредством окисления жирной кислоты, нужно затратить на 17% кислорода больше, чем в аналогичном процессе с участием глюкозы. Поэтому КПД окислительного фосфорилирования при метаболизме жиров значительно ниже, чем при метаболизме углеводов. Ключевой проблемой окислительного фосфорилирования остается механизм сопряжения транспорта электронов по дыхательной цепи и фосфорилирования, т. е. синтеза АТФ, в митохондриях.
Существуют 3 основные гипотезы сопряжения окисления и фосфорилирования: химическая, механохимическая, химиоосмотическая.
Согласно химической гипотезе, посредниками между переносом электронов по дыхательной цепи и синтезом АТФ служат неизвестные пока химические вещества, которые принимают на себя возбужденные электроны и затем переносят их на АДФ или ортофосфат для синтеза АТФ при их взаимодействии. Предпосылкой химической гипотезы явилось обнаружение таких «первичных макроэргов» в процессе синтеза АТФ при анаэробном гликолизе.
В соответствии с механохимической гипотезой, перенос электронов дыхательными ферментами создает их напряженную конформацию, т. е. сжимает молекулу фермента наподобие пружины. Далее энергия, накопленная такой макромолекулой, предается в форме механической деформации компонентам протонной помпы, образующим с дыхательными ферментами прочные комплексы. При последующем расслаблении напряженных молекул накопленная ими энергия идет на синтез АТФ. Авторы механохимической гипотезы видят подтверждение ее основных положений в том, что перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается деформациями митохондриальных крист. Однако эти изменения происходят довольно медленно. Большинство исследователей считают их не причиной, а следствием окислительного фосфорилирования.
Основной постулат химиоосмотической гипотезы состоит в том, что энергия, освобождающаяся при окислении, вначале накапливается в форме электрического и концентрационного градиентов на внутренней мембране митохондрии, а уже они непосредственно обеспечивают преодоление энергетического барьера в реакции фосфорилирования АДФ: АДФ + Н 3 РО 4 АТФ + Н 2 О. Химиоосмотическая гипотеза со времени создания ее П. Митчеллом в 1961 г. не опровергнута ни одним экспериментом, но и не приобрела всех необходимых прямых доказательств.
Основную идею гипотезы Митчелла подтверждает факт нарушения окислительного фосфорилирования при снижении разности потенциалов на митохондриальной мембране и падении разности рН между цитозолем и матриксом. Именно так действуют агенты, разобщающие окисление и фосфорилирование. Будучи слабыми липофильными кислотами, они способны переносить протоны (Н +) через липидный каркас внутренней митохондриальной мембраны, минуя канал в Н-АТФазе. Важным аргументом в пользу химиоосмотической гипотезы служат также экспериментальные данные о быстром защелачивании матрикса митохондрии и закислении окружающей их среды при резком усилении клеточного дыхания. Следовательно, перенос электронов подыхательной цепи сопровождается выходом из внутренней митохондриальной мембраны ионов Н + в цитозоль, а ОН - − в матрикс митохондрии. Транспорт обоих ионов происходит вопреки действию физико-химических градиентов, на что и затрачивается свободная энергия, выделяющаяся при окислении субстратов клеточного дыхания. Поддержание определенного концентрационного градиента Н + на митохондриальной мембране − необходимое условие сопряжения окисления и фосфорилирования, которое нарушается не только при его падении, но и при избыточном повышении. Во втором случае транспорт электронов по дыхательной цепи тормозится, вплоть до полной остановки, а на некоторых участках они идут вспять, создавая обратный электронный поток.
По-видимому, в результате переноса электронов по дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрии образуется не вода, а Н + и ОН - , которые благодаря векторным свойствам этой мембраны выделяются из нее по разные стороны − в разные компартменты (матрикс и межмембранное пространство) митохондрии (рис. 33).
Вследствие высокой проницаемости наружной митохондриальной мембраны Н + -ионы легко выходят в цитозоль, создавая там более низкий рН, чем в матриксе, куда протоны не могут проникнуть из-за крайне слабой проницаемости внутренней митохондриальной мембраны для них. Окисление концентрирует Н + в одном из компартментов, разделенных митохондриальными мембранами, и, стало быть, совершает осмотическую работу.
Рис. 33. Модель механизма транспорта протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану.
Осмотическая энергия накапливается в виде градиента Н + -ионов (протонного градиента) на этой мембране. Один акт восстановления молекулы О 2 до Н 2 О приводит к выделению 4 Н + в цитозоль и 4 ОН - в матрикс. Избытки ионов противоположного знака по обе стороны мембраны создают на ней разность потенциалов порядка 200−250 мВ, причем митохондриальный матрикс приобретает отрицательный потенциал относительно цитозоля. Так митохондрия накапливает электрическую энергию. Митохондрии, на мембране которых поддерживается протонный градиент, называются энергизованными.
Таким образом, энергия возбужденных электронов преобразуется на внутренней мембране митохондрии в осмотическую и электрическую, вследствие чего создается протондвижущая сила, которая стремится обеспечить трансмембранный перенос Н + -ионов для выравнивая их концентрации внутри и вне митохондрии, но этому препятствует внутренняя митохондриальная мембрана.
Транспорт протонов, создающий протондвижущую силу, реализующуюся затем при синтезе АТФ, происходит в два такта:
1) Н + , покинувший какую-либо молекулу во внутренней мембране митохондрии под действием энергии переносимых электронов, выходит из нее в межмембранное пространство и далее в цитозоль;
2) на его место приходит Н + из матрикса.
Следовательно, протоны проходят мембраны не насквозь, а передаются по эстафете − по аналогии с процессом в плазмолемме галобактерии, но с той разницей, что свободную энергию на выброс Н + галобактерии получают при непосредственном поглощении фотонов, а митохондрии − от π -электронов, возбужденных Солнцем в молекуле хлорофилла и сохранивших возбужденное состояние в биомолекулах (субстратах клеточного дыхания), катаболизирующих в организме до атомарного водорода (протона и электрона).
За счет энергии, выделяющейся в ходе биологического окисления, протоны выходят из компонентов внутренней митохондриальной мембраны в межмембранное пространство и далее в цитозоль, преодолевая электрохимический потенциал. Вакансии, образовавшиеся в химических веществах мембраны при отдаче Н + , заполняются протонами из матрикса. При таком транспорте от Н + отстают анионы гидроксила, в результате чего на митохондриальной мембране разобщаются разноименные заряды (катионы и анионы), и между матриксом и цитозолем формируется разность потенциалов.
Предполагают, что выход протонов из внутренней митохондриальной мембраны в цитозоль происходит в трех участках дыхательной цепи:
1) между НАДН и коэнзимом Q;
2) между цитохромами b и c 1 ;
3) между цитохромом с и цитохромоксидазой. Раньше эти участки считались пунктами синтеза АТФ, что и обозначалось на схемах клеточного дыхания.
Современная схема окислительного фосфорилирования, происходящего в митохондриях, изображена на рис. 34. Ее важнейшим элементом, наряду с дыхательной цепью, является сложный молекулярный комплекс Н-АТФазы, которая здесь выполняет функцию синтеза АТФ и поэтому называется Н-АТФсинтетазой (или Н-АТФсинтазой).
Состав, структурные и топографические свойства этого фермента хорошо изучены (с разрешением в 0,28 нм). В нем выделили две части: 1) мембранную − гидрофобный белковый комплекс, образующий канал для Н + во внутренней митохондриальной мембране (F 0 ) и 2) матричную − гидрофильный фактор сопряжения, выступающий из мембраны в матрикс (F 1 ).
Рис. 34. Общая схема окислительного фосфорилирования.
Весь фермент по своему строению похож на гриб, ножку которого образует F 0 , а сферическую головку − F 1 (35).
Рис. 35. Упрощенная схема Н-АТФсинтетазы.
Комплексы F 0 и F 1 связаны между собой неподвижным «кронштейном», образованным а- и b- субъединицами первого из них и -субъединицей второго, и подвижной -субъединицей.
Как уже говорилось, Н-АТФсинтетаза представляется электромотором. Его статор включает части обоих комплексов: F 1 (гексамер из 3- и 3-субъединиц, а также -субъединицу) и F 0 (а- и b- субъединицы). В состав ротора, диаметр которого составляет 1 нм, входят - и -субъединицы комплекса F 1 и цилиндр из с-субъединиц комплекса F 0 .
Можно считать доказанным, что ферментативная активность Н-АТФсинтетазы непосредственно связана с вращением ее -субъединицы в полости гексамера. При таком повороте изменяется конформация всех трех каталитических (т. е. катализирующих реакцию АДФ + Н 3 РО 4 -> АТФ + Н 2 О) -субъединиц комплекса F 1 что и обеспечивает активирование фермента. Он работает как электромотор, подвижная часть которого вращается при пропускании электрического тока через обмотку.
В отличие от технических электромоторов, в Н-АТФсинтетазе ток через обмотку статора обусловлен потоком не электронов, а протонов. Движущей силой протонного электротока через канал в F 0 служит разность электрохимических потенциалов Н + -ионов на внутренней митохондриальной мембране. Поэтому ее и называют протондвижущей силой. Она образуется за счет активного транспорта протонов из мембраны в цитозоль − в сторону более высокого электрохимического потенциала, т. е. вопреки сопряженному действию концентрационного и электрического градиентов. Такой источник энергии для систем активного транспорта называют редокс-помпой.
В результате активного транспорта ионов водорода в межмембранное пространство и далее − в цитозоль рН цитозоля ниже, чем рН митохондриального матрикса. Разность концентраций Н + -ионов между цитозолем и матриксом может достигать трех порядков. Чем она больше, тем выше степень энергизованности митохондрий. В обычных условиях на мембранах дышащей митохондрии гепатоцита протондвижущая сила ( H +) находится в линейной зависимости от изменения свободной энергии при активном транспорте протонов (G H +). Если выразить протондвижущую силу в мВ, a G H + − в ккал·моль -1 , то G H + = - 0,023 · ( H +). При ( H +) = 220 мВ изменение свободной энергии при активном транспорте 3 протонов составляет 5,06 ккал · моль -1 . Однако даже очень большая протондвижущая сила не обеспечивает синтез АТФ, если ее потенциальные возможности не будут реализованы, т. е. если под действием протондвижущей силы Н + -ионы не станут перемещаться из цитозоля в митохондриальный матрикс через протонный канал в F 0 . Пока он закрыт, протондвижущая сила не реализуется.
Если Н + -ионы пойдут из цитозоля в матрикс не по каналу в F 0 , а иначе, то АТФ не синтезируется даже при весьма интенсивном транспорте электронов по дыхательной цепи и обусловленным им выбросе Н + -ионов в цитозоль (с закислением его). Такое состояние возникает не только под действием искусственных протонофоров (например, динитрофенол, аспирин и другие слабые липофильные кислоты). Оно имеет место в естественных условиях в так называемом буром жире. Эта ткань присутствует у эмбрионов и новорожденных детей, а также у животных, впадающих в зимнюю спячку. Во внутренних мембранах митохондрий клеток бурого жира содержится особый транспортный белок (естественный протонофор), который позволяет Н + -ионам свободно переходить в сторону более низкого электрохимического потенциала из цитозоля в митохондриальный матрикс, минуя канал F 0 . В результате клетки бурого жира весьма интенсивно окисляют жир, но энергия возбужденных π -электронов преобразуется преимущественно в тепло, а не в химическую энергию синтеза АТФ. Это важный механизм защиты организма от переохлаждения.
Протонный канал в F 0 состоит из 2 частей (полуканалов), одна из которых находится около межмембранного пространства, где концентрация Н + -ионов высока, а другая примыкает к матриксу. Между полуканалами нет соосности. Главная роль в работе канала принадлежит аминокислотным остаткам a- и с-субъединиц F 0 , содержащим протонируемые карбоксильные группы, поскольку они способны взаимодействовать с протонами и передавать их друг другу. В F 0 такой способностью обладают аспарагил, аргинил, гистидил и глютамил.
Предполагают, что сигналом к переходу протонного канала из закрытого в открытое состояние служит уменьшение в клетке величины соотношения концентраций АТФ и АДФ, т. е. повышение содержания АДФ и ортофосфорной кислоты. Это происходит при усиленном гидролизе АТФ, в результате чего возрастает потребность в активизации его синтеза.
Как только протонный канал в F 0 открывается, в него устремляются ионы водорода из цитозоля − возникает протонный электрический ток в «обмотках» молекулярного электромотора (Н-АТФсинтетазы). Поток заряженных частиц (Н +) приводит в движение его ротор (-субъединицу комплекса F 1). Блокада движения Н + -ионов через канал дициклокарбодиимидом, специфическим ингибитором аспарагила в с-субъединице комплекса F 0 , останавливает вращение ротора, а вместе с ним и синтез АТФ, поскольку фосфорилирование АДФ с образованием АТФ активизируется посредством так называемого вращательного катализа (rotary catalysis). Вращение -субъединицы в статоре Н-АТФсинтетазы происходит скачками (дискретно) с шагом в 120°. Для совершения ротором такого шага через канал должны пройти 2−3 иона водорода. При каждом скачке развивается усилие в 40 пиконьютонов и синтезируется 1 молекула АТФ. Полный оборот ротора происходит за 3 скачка − при этом образуются 3 молекулы АТФ. Если сравнить силы, возникающие при работе Н-АТФсинтетазы и актомиозинового комплекса, то первая из них на порядок больше.
Таким образом, синтез АТФ связан не только с теми преобразованиями энергии, которые постулировал П. Митчелл в своей химиоосмотической гипотезе. Цепь энергетических превращений включает: солнечную энергию, заключенную в π -электронах, участвующих в химических связях многих органических веществ; осмотическую энергию переносимых Н + -ионов; электрическую энергию мембранного потенциала в митохондриях; механическую энергию ротора, вращающегося в статоре Н-АТФсинтетазы, и накопление химической энергии в концевой фосфатной связи АТФ.
Скорость работы Н-АТФсинтетазы зависит не только от величины протондвижущей силы, но и от концентрации субстратов синтеза АТФ, т. е. от концентрации АДФ и Н 3 РО 4 . По мере усиления наработки АТФ фермент снижает свою активность, тем более что при его активной работе падает градиент Н + -ионов на митохондриальных мембранах. Такая ситуация служит сигналом к повышению скорости переноса электронов по электрон-транспортной цепи митохондрий. Следовательно, между биологическим окислением и фосфорилированием при их сопряжении в митохондриях существует сложная система обратных связей.
Протондвижущая сила на митохондриальных мембранах обеспечивает не только фосфорилирование АДФ как таковое, но также трансмембранный перенос ортофосфата из цитозоля в матрикс. Транспорт фосфата, а также пирувата через внутреннюю митохондриальную мембрану осуществляется посредством симпорта с Н + . Для Са 2+ в мембране есть специальный транспортный белок, но он не работает, если падает трансмембранный электрический градиент, обычно поддерживаемый выбросом Н + в цитозоль. Только тогда в матриксе создается отрицательный потенциал относительно цитозоля. Он-то и притягивает к себе катионы кальция, а переносчик обеспечивает их пассивный транспорт.
Антипорт АТФ и АДФ через митохондриалъные мембраны. АТФ после синтеза в митохондрии покидает ее, выходя через мембраны в цитозоль. В обратном направлении транспортируется АДФ, из которого синтезируются новые порции АТФ. Их антипорт обеспечивается переносчиком. АТФ − четырех-, а АДФ − трехвалентные анионы. Их сопряженный транспорт экономит энергию, поскольку перенос заряженных частиц − весьма энергоемкий процесс, а встречное движение четырех- и трехзарядных частиц одного знака равнозначно преодолению мембраны однозарядной частицей. У человека оборачиваемость молекулы АТФ на митохондриальной мембране составляет 10 3 −10 4 раз в сутки. В результате концентрация АТФ в 5−10 раз превосходит содержание АДФ в клетке.
Выйдя в цитозоль, АТФ взаимодействует с креатином (Кр), в результате чего образуется креатшфосфат (КрФ) и АДФ (рис. 36). АДФ транспортируется в митохондриальный матрикс в обмен на АТФ, а КрФ мигрирует по цитозолю к тем частям клетки, где нужна свободная энергия в данный момент. Там КрФ вступает в реакцию с АДФ, продуктами которой служат АТФ и Кр. По мере надобности АТФ гидролизуется и дает возбужденный ортофосфат для фосфорилирования и, благодаря этому, энергизации функциональных биомолекул, что позволяет им преодолеть потенциальный барьер реакций, в которые они вступают. Креатин же мигрирует к митохондрии, где вступает в реакцию с АТФ для повторения цикла. Как синтез, так и распад креатинфосфата катализируется креатинфосфокиназой (КФК).
Рис. 36. Схема транспорта АТФ через митохондриальные мембраны и по цитоплазме: Кр − креатинин; КФК − креатинфосфокиназа; КрФ − креатинфосфат.
Клеточное дыхание - это окисление органических веществ в клетке, в результате которого синтезируются молекулы АТФ. Исходным сырьем (субстратом) обычно служат углеводы, реже жиры и еще реже белки. Наибольшее количество молекул АТФ дает окисление кислородом, меньшее – окисление другими веществами и переносом электронов.
Углеводы, или полисахариды, перед использованием в качестве субстрата клеточного дыхания распадаются до моносахаридов. Так у растений крахмал, а у животных гликоген гидролизуются до глюкозы.
Глюкоза является основным источником энергии почти для всех клеток живых организмов.
Первый этап окисления глюкозы - гликолиз. Он не требует кислорода и характерен как при анаэробном, так и аэробном дыхании.
Биологическое окисление
Клеточное дыхание включает в себя множество окислительно-восстановительных реакций, в которых происходит перемещение водорода и электронов от одних соединений (или атомов) к другим. При потери электрона каким-либо атомом происходит его окисление; при присоединении электрона - восстановление. Окисляемое вещество - это донор, а восстанавливаемое - акцептор водорода и электронов. Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в живых организмах носят название биологического окисления, или клеточного дыхания.
Обычно при окислительных реакциях происходит выделение энергии. Причина этого кроется в физических законах. Электроны в окисляемых органических молекулах находятся на более высоком энергетическом уровне, чем в продуктах реакции. Электроны, переходя с более высокого на более низкий энергетический уровень, высвобождают энергию. Клетка умеет фиксировать ее в связях молекул - универсальном «топливе» живого.
Наиболее распространенным в природе конечным акцептором электронов является кислород, который восстанавливается. При аэробном дыхании в результате полного окисления органических веществ образуются углекислый газ и вода.
Биологическое окисление протекает по-этапно, в нем участвуют множество ферментов и соединения, переносящие электроны. При ступенчатом окислении электроны перемещаются по цепи переносчиков. На определенных этапах цепи происходит выделение порции энергии, достаточной для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.
Биологическое окисление весьма эффективно по-сравнению с различными двигателями. Около половины выделяющейся энергии в конечном итоге фиксируется в макроэргических связях АТФ. Другая часть энергии рассеивается в виде тепла. Поскольку процесс окисления ступенчатый, то тепловая энергия выделяется понемногу и не повреждает клетки. В то же время она служит для поддержания постоянной температуры тела.
Аэробное дыхание
Различные этапы клеточного дыхания у аэробных эукариот происходят
в матриксе митохондрий – , или цикл трикарбоновых кислот,
на внутренней мембране митохондрий – , или дыхательная цепь.
На каждом из этих этапов из АДФ синтезируется АТФ, больше всего на последнем. Кислород в качестве окислителя используется только на этапе окислительного фосфорилирования.
Суммарные реакции аэробного дыхания выглядит следующим образом.
Гликолиз и цикл Кребса: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 12H 2 + 4АТФ
Дыхательная цепь: 12H 2 + 6O 2 → 12H 2 O + 34АТФ
Таким образом биологическое окисление одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ. На самом деле нередко бывает меньше.
Анаэробное дыхание
При анаэробном дыхании в окислительных реакциях акцептор водорода НАД не передает водород в конечном итоге на кислород, которого в данном случае нет.
В качестве акцептора водорода может быть использована пировиноградная кислота, образующаяся при гликолизе.
У дрожжей пируват сбраживается до этанола (спиртовое брожение). При этом в процессе реакций образуется также углекислый газ и используется НАД:
CH 3 COCOOH (пируват) → CH 3 CHO (ацетальдегид) + CO 2
CH 3 CHO + НАД · H 2 → CH 3 CH 2 OH (этанол) + НАД
Молочнокислое брожение происходит в животных клетках, испытывающих временный недостаток кислорода, и у ряда бактерий:
CH 3 COCOOH + НАД · H 2 → CH 3 CHOHCOOH (молочная кислота) + НАД
Оба брожения не дают выхода АТФ. Энергию в данном случае дает только гликолиз, и составляет она всего две молекулы АТФ. Значительная часть энергии глюкозы так и не извлекается. Поэтому анаэробное дыхание считается малоэффективным.
