voronina

Механізм спряження дихання

йфосфорилювання в мітохондріях

Усучасному розумінні окислювальним фосфорилюванням нази- вається процес утворення АТФ при переносі електронів і протонів по дихальному ланцюгу за рівнянням:

Цей процес було відкрито в 30-х рр. XX ст. російським вченим В.О. Енгельгардтом. Вивчаючи інтенсивність дихання мітохондрій голуба, він з’ясував, що одночасно з поглинанням кисню відбувається процес утворення фосфорних ефірів за участю неорганічного фосфату (H3PO4), тобто має місце спряження дихання з фосфорилюванням.

У 1939 р. українські вчені В.О. Беліцер і Є.Т. Цибакова вивели співвідношення P/O як показник спряження дихання та фосфори- лювання. В.О. Беліцер (1940) встановив, що при поглинанні одного атома кисню (або при переносі пари електронів від субстрату на кисень) поглинається три атоми неорганічного фосфату: коефіці- єнт P/O або Р/2е– дорівнює приблизно 3. Тобто в дихальному лан- цюзі існує як мінімум три пункти спряження або фосфорилювання, де неорганічний фосфат бере участь в утворенні АТФ. Ці роботи стимулювали пошук пунктів спряження, які пізніше були встановле- ні роботами Б. Чанса, Е. Рекера, А. Ленінджера. Пізніше в дослі- дженнях В.О. Беліцера, А. Ленінджера, П. Мітчелла, С.Є. Северіна, В.П. Скулачова та інших вчених було значною мірою розкрито сут- ність окислювального фосфорилювання.

Існує декілька гіпотез для пояснення механізму цього процесу. Перш за все– це гіпотеза хімічного спряження, гіпотеза хеміосмотич- ного спряження й гіпотеза механохімічного чи конформаційного спря- ження. Гіпотеза хімічного спряження ґрунтується на уявленні, згідно зяким передача енергії, що виділяється в процесі переносу електронів по дихальному ланцюгу на АДФ з утворенням АТФ, здійснюється через загальніпроміжні сполуки, якімістятьмакроергічнийзв'язок:

,

тобто за типом субстратного фосфорилювання. Але до цього часу не вдалося довести реальне існування та ідентифікувати передбачувані переносники.

Наявність процесу окислювального фосфорилювання лише в тих мітохондріях, де збереглася структура мембрани, збільшила ін- терес до двох інших гіпотез.

Згідно з гіпотезою механохімічного або конформаційного спря- ження припускалося, що енергія, вивільнена в дихальному ланцюзі, використовується безпосередньо для переведення білків внутрішньої

201

мембрани в новий, багатий на енергію конформаційний стан, який, у свою чергу, стає рушійною силою окислювального фосфорилюван- ня, що призводить до утворення АТФ (подібно до процесів м'язово- го скорочення). Однак розглянуті вище теорії не могли пояснити, чому для окислювального фосфорилювання необхідна цілісність внутрішньої мембрани.

На сьогодні найсерйозніше експериментальне обґрунтування одержала теорія хеміосмотичного спряження, розроблена англійсь- ким біохіміком П. Мітчеллом. Багато для її доказу зроблено росій- ським вченим В.П. Скулачовим.

Провідну роль у хеміосмотичній теорії відіграють замкненість і цілісність внутрішньої спряжуючої мембрани мітохондрій, при по- рушенні яких синтез АТФ припиняється. Було звернуто увагу на те, що окислювально-відновні ферменти й коферменти, які складають дихальний ланцюг, розміщені в певній послідовності, векторно, утворюючи поперек внутрішньої мембрани петлі й перехрести (рис. 59). Це забезпечує певну спрямованість процесів у просторі. Основ- ним проявом векторності в дихальному ланцюзі є перекидання іонів H+ із внутрішньої сторони мембрани (з боку матриксу) на зовнішню. Зворотній перехід H+ є неможливим, оскільки внутрішня мембрана для них непроникна.

Рис. 59. Схема утворення протонного потенціалу під час дихання (показані передбачувані ділянки перехрестів мембрани):

1 – матрикс, 2 – внутрішня мембрана мітохондрій,

3– міжмембранний простір, 4 – зовнішня мембрана, 5 – H+-АТФ-синтетаза, 6 – АДФ-АТФ-транслоказа, 7 – схематично показаний кругообіг іонів H+, протонний цикл (пояснення в тексті)

Більшість ферментів дихального ланцюга досить міцно закріп- лені в ліпідно-білковій конструкції мембрани й не мають контактів з її внутрішньою і зовнішньою сторонами. Перша ж ланка дихально- го ланцюга, яка зв'язана з НАД- або ФАД-дегідрогеназами, знахо- диться на внутрішній поверхні мембрани й має вихід у матрикс. Сю- ди спрямовані їхні активні центри, до яких надходять з матриксу суб-

202

страти для дегідрування. Атоми водню від НАД H+H+ захоплю- ються іззовні флавопротеїдом, розташованим поперек внутрішньої мембрани, при цьому електрони надходять на залізосірчаний білок, а H+ виштовхуються назовні. Електрони передаються далі по лан- цюгу. Остання ланка – цитохромоксидаза – також локалізується бли- зько до внутрішньої поверхні мембрани, її активний центр спрямо- ваний у матрикс, куди й надходить молекулярний кисень.

Ліпідорозчинний кофермент Q (убіхінон) легко дифундує із вну- трішнього боку мембрани (від матриксу) до зовнішнього і, віддаючи електрони по ланцюгу, є також переносником протонів з матриксу на зовнішню поверхню мембрани, тобто в міжмембранний простір.

Вважається, що енергія електронів, яка виділяється при їх пере- носі по дихальному ланцюгу, перекачує протони з матриксу в між- мембранний простір, уникаючи накопичення їх усередині самої мем- брани. При цьому утворюється так званий протонний потенціал (рі- зниця концентрацій H+ по обидва боки внутрішньої мембрани), а отже – й електрохімічний потенціал (зарядженість), який потім ви- користовується в процесі фосфорилювання АДФ для утворення АТФ. Тому внутрішня мембрана мітохондрій не повинна бути про- никною для заряджених часток і передусім для H+ і OH–. Якби мем- брана була проникною для H+, вони повернулися б назад – у напря- мку меншої їх концентрації на лівий бік мембрани (у матрикс). Ене- ргія при цьому виділилася б у вигляді тепла. Це підтверджувалося й тим, що при добавленні деяких речовин (так званих «роз’єдну- вальних агентів»), які різко підвищують проникність внутрішньої мембрани для H+, відбувалося роз'єднання процесів тканинного ди- хання з фосфорилюванням і утворення АТФ припинялося. Прикла- дом може бути 2,4-динітрофенол:

Ця ліпофільна речовина легко дифундує через мітохондріальну мембрану як в іонізованій, так і в неіонізованій формі і, будучи джере- лом H+, може переносити останні через мембрану в бік їх меншої концентрації, що призводить до зняття протонного потенціалу. У присутності роз’єднувачів (у тому числі й природних, наприклад, го- рмону тироксину), а також деяких лікарських засобів (аспірин, дику- марол та ін.) вільна енергія, що виділяється при переносі електронів, переходить у тепло і не запасається у вигляді АТФ. Споживання кис- ню й окислення субстратів при цьому продовжується, але синтез АТФ, звичайно, є неможливим. Оскільки енергія окислення при роз'єднанні

203

тканинного дихання з фосфорилююванням розсіюється у формі теп- ла, то роз’єднувачі підвищують температуру тіла (пірогенна дія).

Всі вищезазначені та інші факти мали важливе значення для створення хеміосмотичної концепції спряження тканинного дихання з фосфорилюванням.

На думку Мітчелла, енергія переносу електронів і протонів по дихальному ланцюгу спочатку зосереджується у вигляді протонного потенціалу або електрохімічного градієнта іонів H+, який утворю- ється перекачуванням іонів H+ через мембрану (на певних пунктах дихального ланцюга) із внутрішньої поверхні внутрішньої мембрани (з боку матриксу) на її зовнішню поверхню – у міжмембраний прос- тір. Інакше кажучи, між водними фазами, розділеними внутрішньою мембраною, утворюється різниця концентрацій H+ (градієнт конце- нтрації H+) з більш кислим значенням pH ззовні. Одночасно поверх- ні мембрани заряджаються: зовнішня – позитивно за рахунок збіль- шення H+, а внутрішня – негативно за рахунок зменшення концент- рації H+ і надлишку OH-, тобто утворюється градієнт електричного потенціалу. Отже, ланцюг переносу електронів працює як протонний насос, перекачуючи протони з матриксу на зовнішню сторону мем- брани. Як результат, між двома сторонами мембрани виникає різ- ниця концентрацій протонів і водночас – різниця електричних поте- нціалів зі знаком плюс на зовнішній поверхні.

Таким чином, на внутрішній мембрані одночасно з градієнтом концентрації протонів (∆pH) виникає градієнт електричного потен- ціалу (∆ϕ – дельта псі). Звідси протонний потенціал, що позначаєть-

ся як ∆µH+ (дельта мю Н+), дорівнює їх сумі:

∆µH+ = ∆pH + ∆ϕ.

Розрахунки показали, що дихальний ланцюг мітохондрій при переносі двох протонів утворює потенціал 0,25 В, із якого близько 0,20–0,22 В припадає на ∆ϕ і 0,03–0,05 B – на ∆pH. Ці дані потім бу- ли підтверджені роботами російських вчених В.П. Скулачова і Ю.А. Овчіннікова в експериментах із бактеріородопсином (див. нижче). Внутрішню мембрану мітохондрій можна порівняти з кон- денсатором, її поверхні – з обкладками конденсатора, які розділені шаром ізолятора – ліпідами.

Утворений електрохімічний потенціал примушує протони, за умови їх надлишку на зовнішній стороні мембрани, рухатися (по градієнту концентрації) у зворотному напрямку – із зовнішньої пове- рхні – всередину (у матрикс). Але мембрана непроникна для них, за винятком спеціальних ділянок – протонних каналів, що розміщені у ферментативному комплексі H+-АТФ-синтетази, розташованої по- перек внутрішньої мембрани, і яка має певні пункти контактів як з міжмембранним простором, так і з матриксом. Зворотна дифузія H+ у матрикс призводить до вирівнювання різниці концентрацій H+, і відбувається розрядження внутрішньої мембрани (зникає електри- чний потенціал). Одночасно в активному центрі ферменту H+-АТФ-

204

синтетази відбувається процес окислювального фосфорилювання АДФ активним неорганічним фосфатом з утворенням АТФ, тобто енергія електрохімічного потенціалу трансформується в хімічну ене- ргію макроергічного зв'язку АТФ. Різниця потенціалів у 0,25 В при зворотному переносі двох протонів, є цілком достатньою для утво- рення однієї молекули АТФ.

Так, при спряженні тканинного дихання з фосфорилюванням створюється безупинний кругообіг іонів H+ (зарядка й розрядка вну- трішньої мембрани), так званий протонний цикл (рис. 59). Тому хе- міосмотичну концепцію називають ще протонрушійною. Саме цей зворотний потік протонів і є рушійною силою для синтезу АТФ: про- тони, проходячи зворотно через спеціалізовану систему (комплекс H+-АТФ-синтетази, який витрачає енергію електричного поля для синтезу АТФ із АДФ і активної молекули фосфату), сприяють тому, що енергія протонного потенціалу накопичується в молекулі АТФ – цьому універсальному біологічному акумуляторі енергії.

Повернення H+ іншими шляхами, поза протонними каналами комплексу H+-АТФ-синтетази, у тому числі й добавленням речовин, які легко проникають у мембрану й віддають свій H+ (тобто роз'єд- нують окислення з фосфорилюванням), призводить до того, що ене- ргія виділяється у вигляді тепла. Таким чином, можна припустити, що тканинне дихання заряджає мітохондріальну мембрану, а окис- лювальне фосфорилювання розряджає її, використовуючи енергію мембранного потенціалу для синтезу АТФ. При цьому тканинне ди- хання здійснює осмотичну роботу (концентруючи протони в міжме- мбранному просторі мітохондрій) і електричну (утворює різницю електричних потенціалів), яка використовується H+-АТФ-синтета- зою для хімічної роботи, тобто синтезу АТФ. Поєднання функцій ди- хання й фосфорилювання дало підставу назвати гіпотезу хеміосмо- тичною або протонрушійною, оскільки рушійною силою фосфори- лювання є протонний потенціал.

На даний час хеміосмотична теорія підтверджена великою кількі- стю експериментів, і можна вважати, що саме вона найбільш точно відображає організуючий принцип окислювального фосфорилювання.

Російським вченим В.П. Скулачову, Ю.А. Овчіннікову та їх спів- робітникам вдалося безпосередньо виміряти величину електрору- шійної сили, виникаючої під час освітлення бактерій, що містять ба- ктеріородопсин. Бактеріородопсин вбудовували у фосфоліпідну плі- вку, яка розділяла два відсіки кювети, заповненої розчином електро- літу. У відісіки занурювали електроди. При освітленні бактеріородо- псину (спалах лазера) на мембрані виникала різниця потенціалів близько 0,25 В, достатня для синтезу АТФ.

Однак деякі деталі не до кінця зрозумілі. Досі залишається неві- домим механізм використання електрохімічного потенціалу H+-АТФ-синтетазою під час синтезу АТФ.

205

Більшість сучасних дослідників вважає, що проблему окислюваль- ного фосфорилювання можна вирішити в рамках хеміосмотичної теорії Мітчела. Вона розкриває основні принципи, дає загальний підхід до ви- рішення конкретних питань і механізмів енергетичного спряження. Од- нак вчені підкреслюють, що не варто скидати з рахунку й інші гіпотези, користь яких при розшифруванні й конкретизації механізмів енергетич- ного спряженнятеоріїМітчелла може бутибезсумнівною.

Механізм утворення протонного потенціалу в дихальному ланцюзі мітохондрій

Дихальний ланцюг переносу електронів, як зазначалося вище, має три ділянки фосфорилювання, що повинно відповідати трьом протонним насосам. Як результат, у разі переносу двох електронів від НАД H2 до кисню по дихальному ланцюгу утворюються три мо- лекули АТФ, а в разі переносу електронів від ФАД-дегідрогенази – дві молекули АТФ.

Основні ланки трансмембранного переносу протонів і електро- нів у мітохондрії зображені на схемі (рис. 59). Із схеми витікає, що перший перехрест починається на ділянці від НАД H2 до КоQ (убіхі- нона). Як уже зазначалося, на внутрішній поверхні внутрішньої мем- брани розташована НАД-дегідрогеназа або ФАД-дегідрогеназа з ак- тивним центром, спрямованим до матриксу, звідки вони одержують відповідні субстрати. Тут здійснюється процес дегідрування субстра- тів з утворенням НАД H+H+; атоми водню від нього надходять до флавопротеїнів (ФП). До складу останніх входить ФМН і залізосір- чаний білок із негеміновим залізом (FeS-ПР1), який приймає елект- рони, а 2H+ перекидаються на зовнішню сторону мембрани. Отже, тут звільняється перша пара протонів, а два електрони транспорту- ються через FeS-ПР1 до КоQ. КоQ, приєднуючи електрони, набуває негативного заряду і одночасно захоплює протони з матриксу міто- хондрій. Це супроводжується утворенням KoQ H2 і негативного за- ряду на внутрішній поверхні мембрани.

Другий перехрест має місце на ділянці від KoQ H2 до цитохро- му c1. Відновлений KoQ H2 дифундує крізь мембрану до зовнішньої поверхні, де розташований цитохром b і залізосірчаний білок (FeS-ПР2). На зовнішній поверхні окислення KoQ H2 супроводжуєть- ся переходом другої пари 2H+ у середовище й поверненням двох електронів на FeS-ПР2, а потім до другої молекули КоQ. При цьому КоQ, приєднуючи два електрони, набуває негативного заряду і захо- плює ще 2H+ з матриксу.

Третій перехрест починається, коли KoQ H2 знову переносить на- зовні третю пару протонів, а два електрони KoQ H2 через цитохроми c1 і c передаються на цитохромоксидазу (a а3), де закінчується третя, електронна петля. На цитохромоксидазі, активний центр якої зверне- ний до матриксу, відбувається передача електронів на молекулярний кисень за рівнянням: 2е– + 1/2O2 + 2H+ → H2O.

206

Іони H+ для утворення гідроксильних іонів і молекул води над- ходять з матриксу мітохондрій.

Отже, окислення НАДH2, розпочавшись на внутрішній поверхні, закінчується після триразового перетину мембрани протонами й елек- тронами відновленням кисню й утворенням води теж на внутрішній поверхні мембрани мітохондрій. Джерелом шести протонів є: два H+ від субстратів окислення (що знаходяться у складі НАДH2) і чотири H+ із середовища матриксу. Джерелами електронів, які використовуються для відновлення кисню, є тільки НАДH2 або, у випадку ФАД-де- гідрогенази, – ФАД H2, які утворюються при дегідруванні субстратів.

Механізм фосфорилювання. Згідно з хеміосмотичною концепцією протони, виведені назовні за рахунок енергії переносу електронів, у разі їх надлишку на зовнішній стороні внутрішньої мембрани знову прямують у мітохондріальний матрикс. Проте внутрішня мембрана непроникна для них, за винятком спеціальної ділянки – протонних каналів. У зоні цих каналів знаходиться H+-АТФ-синтетаза, яка є протонним насосом, що забезпечує перехід H+ із зони з більш висо- кою (зовнішня сторона внутрішньої мембрани) у зону з більш низь- кою концентрацією (у матрикс), що супроводжується виділенням ві- льної енергії, за рахунок якої й синтезується АТФ. На даний час оста- точно встановлено, що комплекс H+-АТФ-синтетази, вбудований у мембрану, являє собою найпростішу систему, здатну здійснювати

взаємоперетворення енергії АТФ і ∆µH+. Як уже зазначалося, внутрі-

шня мембрана пронизана виростами грибоподібної форми, які й яв- ляють собою АТФ-синтетазний комплекс, який складається із двох структурних частин. «Ніжка гриба» (фактор F0) у вигляді білкового циліндра пронизує всю товщу внутрішньої мембрани (рис. 59 і рис. 60), один кінець якого сполучається із зовнішнім середовищем, а другий виходить у матрикс у вигляді головки з активним центром і позначається як фактор F1. Отже, H+-АТФ-синтетазу можна позна- чити як F0 + F1. Будова, властивості й функція цих двох частин фер- менту зовсім різні. Загальна маса F0 + F1 приблизно дорівнює 500000 дальтон, із них на F1 припадає близько 340000, а на F0 – решта маси. F0 – дуже гідрофобний білок, який складається з чотирьох поліпеп- тидних ланцюгів. F1 складається з десяти субодиниць – поліпептид- них ланцюгів п'яти різних типів (α, β, γ, δ, ε). F0 виконує функцію ка- налу в мембрані, через який проходять протони, а F1 – фосфорилю- ючу функцію під час синтезу АТФ. Цей спряжуючий фактор може викликати за певних умов і гідроліз АТФ, оскільки може знаходитись у двох взаємоперетворюваних станах, рівновага між якими контро- люється співвідношенням кількостей АТФ і АДФ у мітохондріях.

Розподіл функціональних особливостей між субодиницями – пи- тання дискусійне. Припускають, що αβ-композиція формує каталіти- чний центр ферменту, γ- і δ-поліпептиди забезпечують зв'язування F1 і F0, а ε-субодиниця є ворітьми протонного каналу. Таким чином, АТФ-синтетазний комплекс функціонує як єдина система, перетво- рюючи енергію, яка міститься в електрохімічному градієнті іонів H+, у фосфатний зв'язок молекули АТФ.

207

Рис. 60. Схема організації H+-АТФ-синтетази в мітохондріальній мембрані

Якщо «зрізати» головку (фактор F1) H+-АТФ-синтетази, то си- нтез АТФ із АДФ і фосфату припиняється, і через канал F1 прохо- дять протони за градієнтом їх концентрації. Добавлення F1 «запе- чатує» протонний канал і відновлює здатність до синтезу АТФ, спряженому із клітинним диханням. Отже, через F0 постачаються протони до активного центру F1, який розташовується поблизу протонпровідного шляху, де й відбувається синтез АТФ.

У каталітичному центрі ферменту електричне поле, яке створю- ється диханням, зміщує рівновагу системи

АДФ3+ + РО43– + 2Н+ АТФ4–

у бік синтезу АТФ.

Послідовність молекулярних перетворень на заключному етапі процесу фосфорилювання точно не з’ясована. Запропоновано два гі- потетичні механізми. В основі моделі П. Мітчелла лежить припущен- ня про безпосередню участь іонів водню у фосфорилюванні АДФ в ак- тивному центрі ферменту. Іони водню, використовуючи енергію еле- ктрохімічного потенціалу, проходять протонний канал комплексу F0, потрапляючи в активний центр F1-компоненту, де реагують з атомом кисню неорганічного фосфату. Як результат утворюється реакційноз- датне фосфатне похідне, яке безпосередньо взаємодіє з АДФ, фосфо- рилюючи його. В інших випадках провідна роль належить змінам про- сторової структури F1-АТФ-синтетази. Вважають, що енергія протон- ного потенціалу витрачається на індукцію конформаційних перебудов у білкових ланцюгах F1-комплексу, що призводить до формування ка- талітичних центрів у молекулі ферменту для зв'язування АДФ і фос- фату, а отже, й до синтезу АТФ.

Клітина використовує АТФ, синтезований у мітохондріях, як хі- мічне паливо при різних енерговитратах. Тому мітохондріальний АТФ необхідно доставити в ту частину клітини, де він необхідний.

208

Також необхідним є надходження субстрату фосфорилювання АДФ і донора фосфатної групи в мітохондрії. Вільна дифузія цих метабо- літів через внутрішню мембрану мітохондрій неможлива завдяки її непроникності для гідрофільних молекул, таких як АТФ4-, АДФ3-, -РO43-. Ця проблема вирішується завдяки існуванню в ліпідному бі- шарі двох спеціалізованих білкових транспортних систем: транслока- зи фосфату, яка доставляє його в матрикс, і транслокази аденілових нуклеотидів (АДФ-АТФ-транслокази), яка переносить АДФ3- в міто- хондрії, а АТФ4- – у цитоплазму (рис.59).

Система АДФ-АТФ-транслоказ високоспецифічна. Вона не здатна переносити інші нуклеотиди. Прояв її біологічної активності пов'язаний з конформаційними переходами комплексу. В одній конформації зв'я- зуюча ділянка доступна з боку цитоплазми і взаємодіє з АДФ, в іншій– зв'язує АТФ на протилежному боці. Якщо на поверхні внутрішньої мем- брани потенціал відсутній, транслоказа переносить обидва нуклеотиди з рівною ефективністю в обох напрямках. Наявність позитивного мем- бранного потенціалу на зовнішньому боці бішару робить неможливим перенесення АТФ4- всередину, а АДФ3- – назовні. Таким чином, мем- бранний потенціал визначає фізіологічно необхідний напрямок руху– захват АДФіз цитоплазми і викид уцеж середовище АТФ.

Важливим моментом є оборотність реакції, яка каталізується АТФ-синтетазним комплексом. За відповідних умов комплекс F1–F0 може розщеплювати молекулу АТФ і використовувати отриману при цьому енергію для викачування протонів, тобто для утворення на мембрані електрохімічного потенціалу іонів водню. Отже, каталізую- чи зворотну реакцію розпаду АТФ, H+-АТФ-синтетаза працює як H+- АТФаза (протонна аденозинтрифосфатаза), відкачуючи протони із внутрішнього простору назовні за рахунок енергії гідролізу АТФ. Про- тонні АТФази, які були виділені з мітохондрій тварин, вищих рослин і грибів, хлоропластів і деяких бактеріальних клітин, мають однаковий тип будови і, ймовірно, один і той же механізм функціонування.

Регуляція тканинного дихання (дихальний контроль)

Утворення АТФ шляхом окислювального фосфорилювання регу- люється відповідно енергетичним потребам клітини. Якщо отримана енергія використовується швидко, процеси біологічного окислення прискорюються і стають інтенсивнішими. Якщо ж енергія викорис- товується повільно, вони сповільнюються. Від чого ж залежить інте- нсивність тканинного дихання і швидкість утворення АТФ? Тканин- не дихання, як і будь-який інший процес у клітині, регулюється кон- центрацією субстратів, що вступають у реакцію (у даному випадку – це АДФ і неорганічний фосфат), і продуктами цієї реакції (АТФ) при обов’язковому переносі електронів по дихальному ланцюгу, із при- пиненням якого синтез АТФ стає неможливим.

Із рівняння, яке описує окислення НАД H+H+ у мітохондріях, випливає, що перенос електронів може відбуватися лише в тому ви- падку, коли крім молекулярного кисню є також АДФ і фосфат:

209

НАД Н+Н+ + 1/2О2 + 3АДФ + 3Н3РО4 –→ 3АТФ + НАД+ + 4Н2О

Якщо в інкубаційній суміші є всі вихідні речовини, за винятком АДФ, то поглинання кисню (тканинне дихання) не спостерігається. Після добавлення АДФ відразу ж починаються і дихання, і синтез АТФ. У міру використання АДФ швидкість дихання знижується і воно зовсім припиняється, коли вся АДФ перетвориться на АТФ, тобто надлишок АДФ стимулює процес дихання, а надлишок АТФ гальмує цей процес.

Таким чином, вміст АТФ у клітині регулюється за типом зворот- ного зв'язку: чим вище концентрація АДФ, тим сильніше «відсмоктує» вона енергію рухомих електронів, тим стрімкіше їх потік та інтенсив- ніше дихання. Проте рівень АДФ у клітині, у свою чергу, залежить від швидкості споживання енергії АТФ, тобто від швидкості її розпаду. Утворюється своєрідний цикл – саморегулююча біологічна система, де будь-яке посилення роботи автоматично веде за собою негайне по- силення дихання й підвищення швидкості синтезу АТФ.

З іншого боку, наявність кінцевого акцептора електронів – мо- лекулярного кисню – дає можливість здійснювати процес переносу тисяч електронів по дихальному ланцюгу. У кінцевому рахунку спрямованість і швидкість потоку електронів буде лімітуватися рів- нем кисню в клітині. Ферменти дихального ланцюга перекидають до кисню десятки і навіть сотні тисяч пар електронів за секунду. Якщо наприкінці дихального ланцюга кисень вичерпається, то потік елек- тронів припиниться, їм нікуди буде переходити. Так відбувається, наприклад, при отруєнні ціанідами, які обривають потік електронів до кисню, й організм гине.

Концентрація АТФ у клітині дуже мала. Наприклад, у серці лю- дини міститься не більше одного грама АТФ, а для роботи серця про- тягом хвилини за відносного спокою організму необхідна енергія, що відповідає мінімум 40 г АТФ. Це свідчить про те, що синтез АТФ у клітинах серця повинен здійснюватися безперервно і з великою швид- кістю, тобто має відбуватися постійний розпад і синтез АТФ:

АТФ АДФ + Н3РО4 + ∆F

Отже, одна й та сама молекула АТФ повинна встигнути за одну хвилину тисячу разів гідролізуватися і знову регенеруватися.

Залежність тканинного дихання у мітохондріях від концентрації АДФ називають дихальним контролем. Інтенсивність дихання визнача- ється відношенням АТФ/АДФ. Швидкість окислення клітинного палива регулюється звичайно з такою чутливістю й точністю, що в більшості тканин співвідношення АТФ/АДФваріюється в дуже вузьких межах.

Уявлення про інтенсивність процесів окислювального фосфори- лювання в організмі може дати такий розрахунок. Для покриття енергетичних витрат доросла здорова людина масою 70 кг потребує на добу ≈190 кг АТФ. Між тим в організмі людини міститься усього близько 50 г АТФ. Тому для задоволення потреб організму в хімічній енергії ці 50 г АТФ протягом доби повинні тисячі й тисячі разів роз-

210