Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование
Транспорт электронов и протонов к кислороду от восстановленных НАД-Н и ФАД-Н2 в митохондриях осуществляется с помощью ферментов дыхательной цепи. Ее компоненты строго упорядочены и в виде неболь¬ших агрегатов {элементарных частиц) встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Количество элементарных частиц в митохондриях разных тканей и органов зависит от потребления ими кислорода: так, в одной ми¬тохондрии печени их насчитывается около 5000, а в сердечной мышце -примерно 20000.
Ферменты дыхательной цепи находятся в липидном окружении мем¬браны и строго ориентированы, составляя четкую последовательность:
, флавопротеид-1 (ФП-1, НАД-Н-дегидрогеназа) - фермент сложного строения, содержащий в своем составе флавин-мононуклеотид (ФМН). Пересекает поперек внутреннюю мембрану митохондрий. Кроме ФП-1, в мембрану встроен и флавопротеид-2 (ФП-2, ФАД-Н2-дегидрогеназа), способный принимать атомы водорода от ФАД-зависимых ферментов в матриксе митохондрий (сукцинатдегидрогеназа и др.).
•   Кофермент Q (KoQ, убихинон) - молекула, состоящая из гидрофильно¬го хиноидного "ядра" и длинного гидрофобного углеводородного "хво¬ста". Может диффундировать в мембране, располагаясь в ней как вдоль, так и поперек.
•   Цитохромы b, ci, с, а, а3 - гем-содержащие протеиды, способные пере¬носить (т.е. присоединять и затем отдавать другому веществу) электро¬ны за счет изменения степени окисления атома железа, входящего в их состав:   Fe3+ + ё <-» Fe2T.
Направленность и последовательность транспорта электронов и про¬тонов в дыхательной цепи обеспечивается двумя факторами:
1) структурным расположением переносчиков,
2) их организацией в порядке постепенного возрастания редокс-потенци-ала, который для каждого компонента указан на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схема организации дыхательной цепи митохондрий
Водород в составе НАД-Н входит в дыхательную цепь через флаво-протеид-1, а водород в составе ФАД-Н2 - через флавопротеид-2. На на¬чальном участке дыхательной цепи (до KoQ включительно) переносятся атомы водорода, т.е. протоны + электроны. Цитохромы могут транспорти¬ровать только электроны, поэтому после коэнзима Q потоки протонов и электронов разделяются. Конечным акцептором протонов является кисло¬род, а конечным продуктом - вода.
По существу тканевое дыхание в упрощенном виде напоминает го¬рение водорода в кислороде: Н2 + О2 ->• Н2О, при котором сразу выделяется столь значительное количество тепла, что реакция протекает со взрывом (Д(7= -230 кДж/моль). В чем же различия этих процессов ?
1.  При тканевом дыхании используется не молекулярный Н2, а водо¬род, отщепленный от органических соединений и связанный с кофермен-тами. Но при его окислении также выделяется большое количество энер¬гии, поскольку разность редокс-потенциалов между начальным и конеч¬ным звеньями цепи достаточно велика: Ео [НАД-Н+Н+]= -0,32В;   Ео [О2] = +0,82В. Следовательно, &Е = 1,14В, и AG = -220 кДж/моль. В расчете на одну пару переносимых электронов выделяемого количества энергии дос¬таточно для синтеза четырех молекул АТФ, но в действительности синте-зируется не более трех молекул АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде тепла.
2.  Аккумуляция энергии в виде АТФ возможна благодаря тому, что по мере продвижения электронов и протонов в дыхательной цепи энергия высвобождается не единовременно, а отдельными порциями (Eh E2 и Е3) в местах наибольшей разницы редокс-потенциалов соседних компонентов. Это позволяет трансформировать ее в энергию макроэргических связей и предотвратить тепловой "взрыв".
Во внутренней мембране митохондрий тканевое дыхание (функцио¬нирование дыхательной цепи) и аккумуляция энергии (фосфорилирование АДФ с образованием АТФ) протекают взаимосвязанно. Эти процессы со¬пряжены и представляют собой единую структурно-функциональную систему - окислительное фосфорилирование.  Сопряжение окисления с
гЬосфорилированием - это сложный процесс, многие детали которого ос-аются еще неясными. Общепринятой и экспериментально обоснованной читается гипотеза, предложенная английским биохимиком Митчеллом и получившая название хемиосмотической (или протон-движущей).
Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране митохонд¬рий фиксированы таким образом (рис. 5.6), что обеспечивают транспорт протонов с внутренней поверхности мембраны (со стороны матрикса) на наружную, в межмембранное пространство. Трансмембранный перенос протонов осуществляется в трех участках дыхательной цепи: через мем¬бранный комплекс I (ФП-1), комплекс III (цитохромы Ъ и с/) и комплекс IV, или цитохромоксидазу (цитохромы а и аД т.е. участки транспорта КГ совпадают с местами выделения наибольших порций энергии (Ej, Е2 и Ё3).

Рис. 5.6. Формирование протонного электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий и синтез АТФ
Ферменты тканевого дыхания работают как протонный насос, пере¬мещая FT из матрикса в межмембранное пространство. В результате по разные стороны внутренней мембраны митохондрий возникает разность концентраций протонов и, как следствие, разность электрических потен¬циалов (140 mV) с положительным зарядом на наружной поверхности. наче говоря, энергия разности редокс-потенциалов трансформируется в энергию протонного электрохимического потенциала А[Н+].
Возникший электрохимический потенциал побуждает протоны дви¬гаться в обратном направлении (с наружной поверхности мембраны внутрь), но мембрана для Н* непроницаема. Исключение составляют осо¬бые участки — протонные каналы в составе фермента АТФ-синтетазы (протонная АТФ-аза), которая встроена в митохондриальную мембрану. За счет энергии тока протонов через каналы АТФ-синтетазы из АДФ и неор¬ганического фосфата образуется АТФ:
АДФ + Н3РО4 <-> АТФ + Н2О.
Если в межмембранном пространстве имеется избыток протонов, то идет синтез АТФ, но эта реакция обратима. При искусственном создании избытка АТФ на внутренней поверхности мембраны (со стороны матрикса митохондрии) реакция пойдет в обратном направлении: за счет энергии АТФ начнется ток протонов из матрикса в межмембранное пространство, т.е. АТФ-синтетаза будет функционировать как транспортная протонная АТФ-аза. При этом образуется трансмембранный потенциал, но Д[ЬГ] воз¬никнет благодаря гидролизу АТФ, а не в результате тканевого дыхания.
Синтезированная в митохондриях АТФ с помощью белка транспока¬зы транспортируется из матрикса в межмембранное пространство и затем попадает в цитоплазму клетки. Одновременно в обратном направлении пе¬реносится АДФ (в отношении 1:1).
Коэффициент фосфорилирования, или отношение Р/О - показатель сопряжения дыхания с фосфорилированием. Это количество молекул фос¬фата, затраченное на синтез АТФ, при использовании в дыхательной цепи одного атома кислорода. В экспериментах было показано, что при погло¬щении в дыхательной цепи одной молекулы О2, т.е. при переносе двух пар электронов от субстрата на кислород, в реакцию вступают примерно 6 мо¬лекул неорганического фосфата, т.е. коэффициент Р/О приблизительно ра¬вен трем. Следовательно, в дыхательной цепиолжны быть минимум три участка фосфорилирования, где неорганический фосфат участвует в обра¬зовании АТФ.
Действительно, в дыхательной цепи существует три пункта сопря¬жения окисления и фосфорилирования, в которых перепад энергии при
транспорте пары электронов достаточен для синтеза одной макроэргиче-ской связи. Первый из них находится между ФП-1 и KoQ, второй - между цитохромами b и Cj, третий - между цитохромами а и а3. При поступлении в дыхательную цепь молекулы НАД-Н синтез АТФ происходит во всех трех пунктах, и коэффициент Р/О = 3. В то же время при окислении ФАД-Нг пропускается первый пункт сопряжения, и в этом случае коэффи¬циент Р/О = 2 (теоретически максимальное количество молекул АТФ, ко¬торое может синтезироваться).
Зная окисляемое вещество и коэффициент Р/О, можно рассчитать энергетическую ценность полного окисления субстрата, т.е. количество молекул синтезируемого АТФ. Так, при окислительном декарбоксилиро-вании пировиноградной кислоты получается 3 молекулы АТФ:
ПВК -» ацетил-КоА + СО2 + НАД-Н -> дыхательная цепь -» 3 АТФ.
Суммарная энергетическая ценность окисления одной молекулы аце-тил-КоА в цикле трикарбоновых кислот равна 12 АТФ (приведены только энергетически значимые реакции):
Изоцитрат -» а-кетоглутарат + СО2 + НАД-Н -> дыхат. цепь -» 3 АТФ а-Кетоглутарат -> сукцинил-КоА + СО2 + НАД-Н -» дыхат. цепь -» 3 АТФ Сукцинил-КоА + ГДФ + Фн -> сукцинат + ГТФ; ГТФ+АДФ -> ГДФ+АТФ Сукцинат -» фумарат + ФАД-Н2 -> дыхательная цепь -> 2 АТФ Малат       ->   щук  + НАД-Н -> дыхательная цепь -> 3 АТФ.
"Средний" человек за сутки потребляет около 600 л (~ 27 моль) ки¬слорода, подавляющая часть которого (~ 90 %) расходуется на образование Н2О в дыхательной цепи (примерно 25 моль О2, или 50 моль атомарного кислорода). Приняв коэффициент Р/О в среднем за 2,5, можно рассчитать, что в митохондриях организма синтезируется около 125 моль (~ 62 кг) IФ в сутки, которая за те же сутки и распадается. Рассчитанная величина арактеризует не массу АТФ в организме, а высокую скорость ее обмена;
общее же количество АТФ в организме в каждый данный момент времени невелико (примерно 25-30 г).
Экспериментально было установлено, что интенсивность дыхания митохондрий зависит от уровня АДФ ("дыхательный контроль"). При воз¬растании расхода АТФ увеличивается концентрация АДФ, что автомати¬чески ведет к ускорению дыхания и фосфорилирования и увеличению син¬теза АТФ. Другими словами, темп работы митохондрий зависит от факти¬ческих затрат АТФ и потребности клетки в энергии.
При необходимости тканевое дыхание в митохондриях может час¬тично "отключаться" от фосфорилирования, и тогда большая часть энергии окисляемых субстратов превращается в тепло. Регулируемое уменьшение сопряжения и коэффициента Р/О происходит в ситуациях, когда организм нуждается в теплоте (при переохлаждении, для поддержания температуры тела); подобная терморегулирующая функция характерна для мышечной ткани. Кроме нее, в организме имеется бурая жировая ткань, митохонд¬рии которой специализированы на выработке тепла: в них, в отличие от других тканей, ферментов дыхания почти в 10 раз больше, чем фосфори-лирующих энзимов.
Некоторые химические вещества способны разобщать окисление и фосфорилирование. Разобщители повышают температуру тела (пироген-ный эффект); к ним относится, например, 2,4-динитрофенол - липофильное соединение, которое может легко проходить в любую сторону через мем¬брану митохондрий. При этом оно ионизируется и попутно переносит про¬тоны по градиенту концентрации, "сбрасывая" их избыток из межмем¬бранного пространства и снижая мембранный потенциал. Дыхательная цепь начинает работать "вхолостую", а значительная часть энергии рассеи¬вается в виде тепла. Физиологическими регуляторами разобщения окисле¬ния и фосфорилирования являются гормоны щитовидной железы, жирные кислоты и др.