Окислительное фосфорилирование: понятие, количественная оценка

Окислительным фосфорилированием называют сопряжение двух клеточных процессов: экзергонической реакции окисления восстановленных молекул (НАДН • Н⁺ или ФАДН₂) и эндергонической реакции фосфорилирования АДФ и образования АТФ. Впервые представление о сопряжении между аэробным дыханием и фосфорилированием АДФ было высказано в 30-х гг. XX столетия В. А. Энгельгардтом. Несколько позже, в 1940 г., В. А. Белицер и Е. Т. Цыбакова показали, что синтез АТФ из АДФ и Н₃Р0₄ происходит в митохондриях при транспорте электронов от субстрата к кислороду через цепь дыхательных ферментов. Большой вклад в развитие концепции и механизма окислительного фосфорилирования внесли А. Ленинджер, П. Митчелл, С. Е. Северин, В. П. Скулачев, П. Бойер, Д. Е. Аткинсон и др.

Изменение стандартной свободной энергии (AG°') в реакциях переноса электронов рассчитывают по формуле.

где п — число перенесенных электронов; F — константа, называемая постоянной Фарадея (96 556 Дж); АЕ°' — разность стандартных окислительновосстановительных потенциалов электронодонорной и электронакцепторной систем.

Таким образом, при переносе пары электронов от НАДН • Н⁺ к кислороду изменение стандартной свободной энергии равно:

Расчет изменения ДG" на каждом участке переноса электронов в дыхательной цепи показывает, что благодаря участию промежуточных переносчиков в потоке электронов к кислороду энергия выделяется порциями (рис. 15.5). Если учесть, что на синтез одной молекулы АТФ требуется не менее 31 кДж/моль, вдыхательной цепи есть три участка, где высвобождающейся энергии достаточно для синтеза АТФ.

Таким образом, перенос пары электронов от НАД-зависимых дегидрогеназ дает в итоге образование трех молекул АТФ; окисление же ФАД-зависи;

Рис. 15.5. Уменьшение свободной энергии при транспорте пары электронов по дыхательной цепи от НАДН к кислороду.

мых дегидрогеназ — только двух молекул АТФ, так как пара электронов поступает вдыхательную цепь на уровне коэнзима Q, минуя первый участок сопряжения. Если учесть, что перенос пары электронов к кислороду дает 220,2 кДж, а на синтез трех молекул АТФ расходуется 93 кДж, то значительная часть (примерно 42%) свободной энергии запасается в молекулах АТФ.

Для количественной оценки сопряжения окисления и фосфорилирования используют коэффициент сопряженного окислительного фосфорилирования (Р/О), предложенный в 1939 г. В. А. Белицером. Коэффициент Р/О — это отношение уменьшения числа молей неорганического фосфата (Н₃Р0₄), необходимого для синтеза АТФ, к количеству поглощенного кислорода. Так, для субстратов (малат, пируват, изоцитрат), окисляющихся НАД-зависимыми дегидрогеназами, Р/О = 3, а для сукцината, окисляемого ФАД-сукцинатдегидрогеназой, Р/О = 2. Суммарный результат окисления НАДН • Н⁺, ФАДН₂ и фосфорилирования можно записать следующим образом:

Экспериментально определяемые значения коэффициента Р/О, как правило, несколько ниже теоретически рассчитанных. Следовательно, процесс дыхания нс всегда является процессом, жестко сопряженным с фосфорилированием. Нарушают систему сопряжения процессов окисления в дыхательной цепи и фосфорилирования так называемые разобщающие агенты (разобщители). К ним относятся вещества, подавляющие синтез АТФ (фосфорилирование), в то время как окисление субстратов, потребление кислорода (дыхание) продолжаются. В качестве разобщителей в экспериментальной биохимии используют 2,4-динитрофенол, динитрокрезол, пентахлорфенол и др. В присутствии разобщителей коэффициент Р/О равен нулю, а энергия окисления в этом случае трансформируется в тепловую форму. Следовательно, разобщители обладают пирогенным действием, т. е. повышают температуру тела. Большинство разобщающих агентов являются липофильными и их ингибирующее действие на процесс фосфорилирования легко объяснимо благодаря способности этих соединений обеспечить протонную проводимость сопрягающей мембраны митохондрий и тем самым препятствовать образованию электрохимического потенциала, а следовательно, и синтезу АТФ (15.3.5).