Тканевое дыхание: общая характеристика
Тканевое дыхание — совокупность реакций окисления органических субстратов, в которых атомы водорода переносятся на молекулярный кислород с образованием воды и высвобождением энергии. Около 60% этой энергии рассеивается в виде теплоты, а около 40% запасается в макроэргических связях АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.
Отщепление водорода от субстратов осуществляют ферменты дегидрогеназы, локализованные преимущественно в матриксе митохондрий. По типу кофермента они подразделяются на две группы:
- НАД-зависимые дегидрогеназы — кофермент НАД+ связан с белком непрочно и легко отделяется в восстановленной форме НАДН (например, при окислении малата в оксалоацетат, изоцитрата, глутамата, пирувата);
- ФАД-зависимые дегидрогеназы — кофермент ФАД ковалентно связан с ферментом, поэтому необходим второй акцептор водорода — убихинон (KoQ). Классический пример — сукцинатдегидрогеназа, окисляющая сукцинат до фумарата с образованием ФАДН₂.
Первичные доноры водорода — продукты катаболизма: пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, глутамат для НАД-зависимых ферментов; сукцинат и ацил-КоА — для ФАД-зависимых.
Цепь переноса электронов
Перенос электронов от восстановленных коферментов на кислород осуществляет система переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ). В её состав входят пять комплексов:
- Комплекс I — НАДН-дегидрогеназа (НАДН:убихинон-оксидоредуктаза);
- Комплекс II — сукцинатдегидрогеназа;
- Комплекс III — KoQH₂-дегидрогеназа (цитохром bc₁);
- Комплекс IV — цитохромоксидаза;
- Комплекс V — АТФ-синтаза.
Компоненты расположены в порядке возрастания редокс-потенциала — от низкого у НАДН до высокого (около +0,8 В) у кислорода. Это обеспечивает однонаправленный поток электронов и поэтапное высвобождение энергии.
Протонный градиент и синтез АТФ
Перенос электронов через комплексы I, III и IV сопряжён с переносом протонов из матрикса в межмембранное пространство. В результате формируется электрохимический протонный потенциал ΔμH⁺, складывающийся из химической (концентрационной) и электрической составляющих, причём ведущая роль принадлежит протонному градиенту.
При достижении критического уровня ΔμH⁺ активируется АТФ-синтаза (комплекс V): протоны возвращаются в матрикс через её канал (F₀-субъединицу), а энергия их движения используется каталитической F₁-субъединицей для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. Такое сопряжение электронного транспорта и синтеза АТФ за счёт протонного градиента описывает хемиосмотическая теория Митчелла.
Коэффициент окислительного фосфорилирования (P/O) — число молекул АТФ, синтезируемых при переносе двух электронов на один атом кислорода:
- при окислении НАДН P/O ≈ 3 (электроны проходят через комплексы I, III, IV);
- при окислении ФАДН₂ P/O ≈ 2 (электроны входят на уровне убихинона, минуя комплекс I).
Дыхательный контроль
Скорость тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования жёстко сопряжена с потребностью клетки в энергии. При активном расходе АТФ концентрация АДФ в матриксе возрастает. АДФ является субстратом АТФ-синтазы, поэтому усиливается её работа, протонный градиент снижается, что снимает торможение электронного транспорта и увеличивает поглощение кислорода и окисление субстратов. Эта зависимость скорости дыхания от концентрации АДФ называется дыхательным контролем.
Разобщители и ингибиторы
Разобщители — липофильные соединения, переносящие протоны из межмембранного пространства в матрикс в обход АТФ-синтазы. Они снижают ΔμH⁺, при этом окисление субстратов и поглощение кислорода продолжаются, но энергия рассеивается в виде теплоты. К разобщителям относятся:
- 2,4-динитрофенол — классический искусственный разобщитель;
- свободные жирные кислоты — естественные разобщители; при действии адреналина активируется липаза, концентрация жирных кислот возрастает, что усиливает теплопродукцию (важный механизм терморегуляции).
Специфические ингибиторы ЦПЭ:
- барбитураты, ротенон — блокируют комплекс I (НАДН-дегидрогеназу);
- антимицин А — ингибирует комплекс III (KoQH₂-дегидрогеназу);
- цианиды, угарный газ (CO), сероводород (H₂S) — блокируют комплекс IV (цитохромоксидазу), прекращая восстановление кислорода; отравление цианидами развивается стремительно и приводит к гибели;
- олигомицин — ингибирует АТФ-синтазу: протоны накапливаются в межмембранном пространстве, но синтез АТФ останавливается.
Ключевые моменты
- Тканевое дыхание — окисление субстратов с переносом водорода на кислород; ~40% энергии запасается в АТФ, ~60% рассеивается в теплоту.
- Дегидрогеназы делятся на НАД-зависимые и ФАД-зависимые; ФАД ковалентно связан с белком и передаёт водород на убихинон.
- ЦПЭ внутренней мембраны митохондрий состоит из пяти комплексов, расположенных в порядке возрастания редокс-потенциала.
- Комплексы I, III, IV переносят протоны в межмембранное пространство, формируя электрохимический потенциал ΔμH⁺.
- АТФ-синтаза использует энергию обратного потока протонов для фосфорилирования АДФ (хемиосмотическое сопряжение).
- Коэффициент P/O равен 3 для НАДН и 2 для ФАДН₂.
- Дыхательный контроль — регуляция скорости дыхания концентрацией АДФ.
- Разобщители (2,4-динитрофенол, жирные кислоты) усиливают теплопродукцию; ингибиторы блокируют конкретные комплексы ЦПЭ или АТФ-синтазу.