Биология

Суммируем энергетический выход, который получается в процессе дыхания, т. е. сколько моле­кул АТФ может образоваться при расщеплении одной молекулы глюкозы. В первую анаэробную фазу дыхания при распаде одной молекулы глюкозы до двух мо­лекул пировиноградной кислоты в процессе субстратного фосфорилирования образуется две молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при окислении ФГА до ФГК в цитозоле клетки образуются две молекулы восстановленных коферментов НАД. Они диффундируют через наружную мембрану и окисляют­ся в дыхательной цепи благодаря наличию у растений НАДН-дегидрогеназы, локализованной на наружной поверхности внутренней мембраны. При этом син­тезируется 6 молекул АТФ.

В аэробной фазе дыхания при окислении пировиноградной кислоты образу­ются 4 молекулы НАДН ^{восстановленного}. Их окисление в дыхательной цепи приводит к образованию 12 АТФ. Кроме того, в цикле Кребса восстанавливается одна молекула флавиновой дегидрогеназы (ФАДН2). Окисление этого соединения R в дыхательной цепи приводит к образованию 2 АТФ, поскольку одно фосфорилирование не происходит. При окислении молекулы альфа-кетоглутаровой кислоты до янтарной кислоты энергия непосредственно накапливается в одной молекуле АТФ (субстратное фосфорилирование). Таким образом, окисление одной моле­кулы пировиноградной кислоты сопровождается образованием углекислого газа и 15 мо­лекул АТФ. Однако при распаде молекулы глюкозы получается две молекулы пировиноградной кислоты.

Следовательно, всего в аэробной фазе дыхания образуется 30 молекул АТФ. В анаэробной фазе образуются 2 молекулы АТФ и еще 6 мо­лекул АТФ при окислении 2 молекул НАДН в дыхательной цепи. Итого за две фазы в образуется 38 молекул АТФ в процессе окис­лительно-дыхательного распада молекулы гексозы.

На образование 38 молекул АТФ затрачено 38-30,6 кДж = 1162,8 кДж. Всего при сжигании 1 моль глюкозы выделяется 8824 кДж: С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20 + 2824 кДж. Таким образом, КПД процесса дыхания при самых благоприятных условиях составляет около 40%. Часть энергии выделяется в виде тепла большая ее часть запасается в виде энергии химических связей при образовании макроэргических соединений (АТФ, НАД и др.)

Существуют две гипотезы, объясняющие механизм синтеза АТФ — прямой и косвенный. Согласно прямому механизму, АДФ и Фн (неорганический фосфат) связываются с активным центром фермента, куда по каналу поступают протоны. Протоны взаимодействуют с кислородом Фн с образованием воды. Это делает Фн активным, и он присоединяется к АДФ. После этого молекула АТФ отделяется от фермента.

Согласно второй гипотезе, синтез АТФ из АДФ и Фн происходит в активном центре фермента самопроизвольно. Однако образующаяся при этом молекула АТФ прочно связывается с ферментом, поэтому для ее освобождения затрачивается энергия протонного градиента. Предполагают, что структурные перестрой­ки фермента, приводящие к высвобождению АТФ, связаны с циклическими про­цессами протонирования и депротонирования функционально важных групп фермента. Что сейчас все больше находит экс­периментальные подтверждения. Доказательством того, что именно градиент протона обеспечивает фосфорилирование, являются опыты с разобщителями окисления и фосфорилирования. Наиболее часто, в качестве разобщителя, выступает динитрофенол, он делает мембрану про­ницаемой для протонов и тем самым ликвидирует протонный градиент. При этом скорость окисления даже усиливается, однако образование АТФ не происходит. Таким образом, процесс окисления сопряжен с процессом фосфорилирования. Степень сопряженности окисления и фосфорилирования может быть разной в зависимости от условий и от состояния клеток. Показателем сопряженности окисления и фосфорилирования служит коэффициент фосфорилирования Р/О, который соответствует отношению количества связанного неорганического фосфора (АДФ + Фн —> АТФ) к поглощенному в процессе дыхания кислороду. Как уже рассматривалось выше, перенос двух электронов к кислороду по дыха­тельной цепи сопровождается не более чем тремя фосфорилированиями. Сле­довательно, коэффициент Р/О может быть не более 3. На величину Р/О оказы­вают влияние внешние условия. При засухе окисление усиливается, а накопление энергии в виде АТФ не происходит, коэффициент Р/О резко падает. Коэффици­ент фосфорилирования резко падает и при заболевании организмов. В ряде случаев может наблюдаться непосредственное использование энергии протонно­го градиента (∆μ Н⁺). Действительно, поскольку внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно, возникает трансмембранный потенци­ал. Катионы в силу электрического притяжения могут поступать и накапливаться во внутреннем пространстве митохондрий. Имеются данные, что протонный градиент может обеспечить также приток углеводов, в частности поступление саха­розы в ситовидные трубки. Таким образом, ∆μ Н⁺ обеспечивает осмотическую работу и транспорт веществ против градиента их концентрации. Наконец, по­казана возможность использования ∆μ Н⁺ на механическую работу (движение бактерий). Вместе с тем важно отметить, что ∆μ Н⁺ может играть роль как транс­портная форма энергии, передаваясь вдоль мембран (В.П. Скулачев).

Таким образом, клетка обладает двумя формами используемой энергии, дву­мя энергетическими «валютами» — АТФ и ∆μ Н⁺:

1) АТФ — химическая «валюта», растворимая в воде и легко используемая в водной фазе; 2) ∆μ Н⁺ — электрохимическая, неразрывно связанная с мембранами.

Важно заметить, что эти две формы используемой клеткой энергии могут переходить друг в друга. При образовании АТФ используется энергия ∆μ Н⁺, при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в ∆μ Н⁺.