Где синтез атф в клетке происходит в: АТФ — все статьи и новости

Синтез АТФ происходит в цитоплазме, главным образом в митохондриях, поэтому они и получили название «силовых станций» клетки.

В клетках человека, многих животных и некоторых микроорганизмов главным поставщиком энергии для синтеза АТФ является глюкоза. Расщепление глюкозы в клетке, в результате которого происходит синтез АТФ, осуществляется в две следующих друг за другом стадии. Первую стадию называют гликолизом, или бескислородным расщеплением. Вторую стадию называют кислородным расщеплением.

Гликолиз. Для иллюстрации (не для запоминания) приведем его итоговое уравнение:

Из уравнения видно, что в процессе гликолиза кислород не участвует (поэтому стадия эта и называется бескислородным расщеплением). В то же время обязательным участником гликолиза: являются АДФ и фосфорная кислота. Оба эти вещества всегда имеются, так как они постоянно образуются в результате жизнедеятельности клетки. В процессе гликолиза расщепляются молекулы глюкозы и происходит синтез 2 молекул АТФ.

Итоговое уравнение не дает представления о механизме процесса. Гликолиз — процесс сложный, многоступенчатый. Он представляет собой комплекс (или, лучше сказать, конвейер) следующих друг за другом нескольких реакций. Каждую реакцию катализирует особый фермент. В результате каждой реакции происходит небольшое изменение вещества, а в итоге изменение значительно: из молекул 6-углеродной глюкозы образуются 2 молекулы 3-углеродной органической кислоты. В результате каждой реакции освобождается небольшое количество энергии, а в сумме получается внушительная величина — 200 кДж/моль. Часть этой энергии (60%) рассеивается в виде теплоты, а часть (40%) сберегается в форме АТФ.

Процесс гликолиза происходит во всех животных клетках и в клетках некоторых микроорганизмов. Известное всем молочнокислое брожение (при скисании молока, образовании простокваши, сметаны, кефира) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями. Механизм этого процесса тождествен гликолизу.

Кислородное расщепление. После завершения гликолиза следует вторая стадия — кислородное расщепление.

В кислородном процессе участвуют ферменты, вода, окислители, переносчики электронов и молекулярный кислород. Основное условие нормального течения кислородного процесса — это неповрежденные митохондриальные мембраны.

Конечный продукт гликолиза — трехуглеродная органическая кислота — проникает в митохондрии, где под влиянием ферментов вступает в реакцию с водой и полностью разрушается:

Образовавшийся оксид углерода (IV) свободно проходит через мембрану митохондрии и удаляется в окружающую среду. Атомы водорода переносятся в мембрану, где под влиянием ферментов окисляются, т. е. теряют электроны:

Электроны и катионы водорода Н+ (протоны) подхватываются молекулами-переносчиками и переправляются в противоположные стороны: электроны на внутреннюю сторону мембраны, где они соединяются с кислородом (молекулярный кислород непрерывно поступает в митохондрии из окружающей среды):

Катионы Н+ транспортируются на наружную сторону мембраны. В результате внутри митохондрии увеличивается концентрация анионов Оr~, т. е. частиц, несущих отрицательный заряд. На мембране снаружи накапливаются положительно заряженные частицы (И ), так как мембрана для них непроницаема. Итак, мембрана снаружи заряжается положительно, а изнутри — отрицательно. По мере увеличения концентрации противоположно заряженных частиц по обеим сторонам мембраны между ними растет разность потенциалов.

Установлено, что в некоторых участках мембраны в нее встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ. В молекуле фермента имеется канал, через который могут пройти катионы H+. Это происходит, однако, в том случае, если разность потенциалов на мембране достигает некоторого критического уровня порядка (200 мВ). По достижении этого значения силой электрического поля положительно заряженные частицы проталкиваются через канал в молекуле фермента, переходят на внутреннюю сторону мембраны и, взаимодействуя с кислородом, образуют воду:

Процесс кислородного расщепления описывается уравнением: 

В ходе этого процесса освобождается значительная энергия, 2600 кДж на каждые 2 моля органической кислоты; 45% этой энергии рассеивается в виде тепла, а 55% сберегается, т. е. преобразуется в энергию химических связей АТФ.

Просуммировав уравнения бескислородного и кислородного процессов, получим уравнение полного расщепления, молекулы глюкозы:

Материал этого параграфа позволяет сделать следующие выводы:

1. Синтез АТФ в процессе гликолиза не нуждается в мембранах. Он идет и в пробирке, если имеются все ферменты и субстраты. Для осуществления кислородного процесса необходимо наличие митохондриальных мембран, так как решающую роль играют происходящие на них электрические явления.

2. Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до оксида углерода (IV) и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ. Из них в бескислородную стадию синтезируются 2 молекулы, а в кислородную— 36. Кислородный процесс, таким образом, почти в 20 раз более эффективен, чем бескислородный.

3. В жизни клетки нередко возникают ситуации, когда осуществление кислородного процесса затруднено или невозможно (при недостатке кислорода, повреждении митохондрий). В этих случаях клетка с целью получения необходимого для жизни количества АТФ использует только бескислородный процесс. Для этого ей требуется тратить в 20 раз больше глюкозы, чем в норме.

4. Предлагаем решить задачу: сколько АТФ синтезируется клетками человека в сутки? Для решения задачи воспользуемся суммарным уравнением, из которого следует, что при полном расщеплении одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ.

Молекулярная масса глюкозы — 180, АТФ — 504. Таким образом, в результате расщепления 180 г глюкозы синтезируется 504 · 38 = 19152 г АТФ. В сутки энерготраты взрослого человека покрываются доставкой с пищей 600—700 г глюкозы. Если 180 г глюкозы обеспечивают синтез 19 кг АТФ, то 600 г глюкозы дают 63 кг. Итак, в течение суток в теле человека синтезируется (и расходуется!) более 60 кг АТФ. Эта цифра кажется неправдоподобной, но она совершенно точная.

Хондриосома — это… Что такое Хондриосома?

Электронномикроскопическая фотография, показывающая митохондрии млекопитающего в поперечном сечении

Митохондрия (от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зёрнышко, крупинка) — органелла, имеющаяся во многих эукариотических клетках и являющаяся основным источником энергии, в основном запасаемой в молекулах (АТФ), для биохимических реакций, происходящих в ней. Эффективность работы митохондрий очень высока. На фотографиях митохондрий видно обилие внутренних мембран.

Происхождение митохондрий

В соответствии с теорией симбиогенеза, митохондрии появились в результате того, что примитивные клетки (уркариоты), содержащие ядро, не смогли сами использовать кислород, чтобы генерировать энергию, и захватывали бактерии (прогеноты), которые могли это делать. В процессе развития таких отношений прогеноты передали множество своих генов ядру уркариот. Вот почему современные митохондрии больше не являются самостоятельными организмами. Хотя их геном кодирует компоненты собственной системы синтеза белка, многие ферменты и белки, необходимые для их функции, кодируются хромосомами, синтезируются в ядре и только потом транспортируются из ядра в органеллы.

Митохондрии в клетке

Впервые митохондрии обнаружены в виде гранул в мышечных клетках в 1850 году. Число митохондрий в клетке непостоянно. Их особенно много в клетках, в которых потребность в кислороде велика. Сильно варьируют так же размеры (до 10*1*1 мкм) и форма митохондрий. Они способны менять свою форму, перемещаться в места, где выше потребность в энергии. Во многих клетках митохондрии соединены друг с другом, образуя один или несколько больших комплексов — митохондрионы.

Структура митохондрий

Схема строения митохондрии.

Каждая митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран; между ними — межмембранное пространство. Отграниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом. В матриксе содержатся большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса, протекает окисление жирных кислот, располагаются митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы. Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности. Наружная мембрана митохондрий имеет маленькие отверстия, образованные специальными белками, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы. Внутренняя мембрана таких отверстий не имеет; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Митохондрии и наследственность

В Викисловаре есть статья «митохондрия»

Аденозинтрифосфат (АТФ)

☰

В состав молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) входят:

• аденин (относится к пуриновым основаниям),

• рибоза (пятиуглеродный сахар, относится к пентозам),

• три фосфатные группы (остатки фосфорной кислоты).

АТФ подвержен гидролизу, при котором происходит отщепление концевых фосфатных групп, и выделяется энергия. Обычно отщепляется только конечный фосфат, реже второй. В обоих случаях количество энергии достаточно большое (около 40 кДж/моль). Если происходит отщепление третьей группы выделяется только около 13 кДж. Поэтому говорят, что в молекуле АТФ два последних фосфата связаны макроэргической (высокоэнергетической) связью, которую обозначают знаком «~». Таким образом, строение АТФ можно выразить формулой:

Аденин – Рибоза – Ф ~ Ф ~ Ф

При отщеплении от АТФ (аденозинтрифосфата) одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфат). При отщеплении двух остатков — АМФ (аденозинмонофосфат).

АТФ + H₂0 = АДФ + H₃PO₄ + энергия

Главная функция аденозинтрифосфата в клетке заключаются в том, что он является для нее универсальной формой для запаса высвобождаемой при дыхании энергии, когда АДФ путем фосфорилирования превращается в АТФ. Такая универсальность позволяет всем процессам, идущим в клетке с поглощением энергии, иметь одинаковый «химический механизм» для приема энергии от АТФ. Мобильность АТФ позволяет доставлять энергию в любой участок клетки.

АТФ образуется не только в процессе клеточного дыхания. Также он синтезируется в хлоропластах растений, в мышечных клетках с помощью креатинфосфата.

Кроме энергетической роли аденозинтрифосфат выполняет ряд других функций. Он используется наряду с другими нуклеозидтрифосфатам (гуанозидтрифосфатом) как сырье при синтезе нуклеиновых кислот, входит в состав ряда ферментов и др.

Синтез и распад АТФ в клетке происходит постоянно и в больших количествах.

plustilino © 2019. All Rights Reserved

Жизнь и смерть митохондрий / Хабр

Если вы думаете, что самая важная для нас история совместной жизни начинается во время свадьбы, то это совсем не так. Самая важная история совместной жизни каждого человека началась более миллиарда лет назад, когда наши далекие одноклеточные предки вынуждены были подписать «брачный контракт» с теми, кого мы сейчас называем митохондрии (см. теория симбиогенеза).

Митохондрии имеют две мембраны (внутреннюю и внешнюю) и собственный наследственный материал в виде ДНК (рис.1). На внутренней мембране митохондрий находится система окислительного фосфорилирования, работа которой обеспечивает окисление энергетических субстратов с образованием АТФ.

. Схематическое строение митохондрии

В брачном контракте клетки и митохондрии нет пункта «в болезни и здравии», — и хорошо. Если митохондрия становится старой, клетка может ее убить в процессе митофагии, а митохондрии, в свою очередь, регулируют процесс апоптоза у недееспособных и старых клеток. Если процесс обоюдного контроля качества нарушается, запускаются механизмы старения. Нарушаются механизмы апоптоза, увеличивается количество свободных радикалов, не контролируемых митохондрией. Это вызывает системное воспаление, повреждение ДНК клетки. Таким образом, есть сильная взаимосвязь между МХ дисфункцией, возраст-зависимыми заболеваниями, старением организма и метаболическими дисфункциями [1]. Метаболическая дисфункция – неизменный всадник апокалипсиса старения.

«Как белка в колесе» — динамика митохондрий

Не вся вина за метаболические нарушения лежит на нашем переедании. Метаболические нарушения связывают, в первую очередь, с неспособностью митохондрий справиться с питательными веществами. Митохондриям в клетке приходится нелегко. Мы «кормим» свои клетки то слишком много, то слишком мало, а предъявляем им «заявку» выдать энергию в виде АТФ, количество которой точно должно соответствовать нашим потребностям. Для того чтобы регулярно «выкручиваться» из этой ситуации митохондрии и правда используют некоторые «движения» — деление (fission) и слияние (fusion). Эти «митодвижения» объединяют под названием «динамика митохондрий». Баланс между делением и слиянием митохондрий — центральный механизм биоэнергетической адаптации к метаболическим потребностям клетки [2, 3].

Больше всего митохондрий находится в тканях с высокими энергетическими потребностями, — мышцы, печень, бурая жировая ткань, мозг. Неудивительно, что и динамика митохондрий в этих тканях изучена лучше.

Итак, если в клетку какой-либо из этих тканей (кроме некоторых нейронов в мозге, об этом потом) поступает большое количество питательных веществ (поступление превышает затраты), то митохондрии находятся в разделенном (фрагментированном) состоянии. Если клетка находится в состоянии голода (поступления меньше затрат), то происходит слияние митохондрий и они находятся в соединенном состоянии. [3,4]. Так поддерживается гомеостаз клетки (рис.2).

Рис. 2 Регулирование морфологии и биоэнергетической эффективности митохондрий в ответ на избыточное или недостаточное поступление питательных веществ [из 2]

Клеточный метаболический гомеостаз зависит от баланса между потреблением питательных веществ и их расходом. Перемены в поставке питательных веществ приводит к клеточным адаптациям для восстановления баланса. Избыток питания приводит к фрагментации митохондриальной сети, что вызывает снижение биоэнергетической эффективности митохондрий. Это позволит избежать потерь энергии. Напротив, при метаболическом голоде митохондрии удлиняются, чтобы увеличить свою биоэнергетическую эффективность.

В чем хитрость этих движений? Если клетка находится в состоянии голода, то слияние митохондрий позволяет увеличить их биоэнергетическую эффективность (количество АТР, которое создается на молекулу питательного вещества). Если же в клетку поступает избыток питательных веществ, то их можно либо 1) запасти, либо 2)рассеять эту энергию в виде тепла. Задача митохондрий в этом случае, — рассеять больше энергии в виде тепла, запасти меньше в виде АТФ (накопление NADH и АФК приведет к окислительному стрессу). Фрагментация митохондрий позволяет им снизить биоэнергетическую эффективность, главным механизмом снижения которой считается «утечка» протонов.

Так что, мы ходим на работу, а жизнь митохондрий постоянно протекает в режиме цикла деления и слияния (рис 3).

Рис.3 Баланс энергопотребления и энерогообеспечения связан с соответствующими изменениями архитектуры митохондрий и их биоэнергетической эффективностью [из 3]
Физиологические процессы, связанные с увеличением спроса на энергию и снижением энергопоставок, (например, острый стресс, голодание и фаза G1/S) характеризуются удлинением митохондрий и дыханием, связанным с синтезом АТФ. С другой стороны, физиологические процессы, связанные с уменьшением спроса на энергию и увеличением ее поставок (высокий уровень питательных веществ, ожирение и диабет типа 2), связаны с фрагментацией митохондрий, выделением тепла или снижением функции митохондрий.

Здоровые циклы деления и слияния – залог метаболического здоровья клетки

Нормальный цикл деления митохондрий и их слияния является ключевым звеном контроля их качества. Почему? При делении митохондрий образуется две дочерние, одна из которых имеет более высокий мембранный потенциал и идет дальше в цикл слияния-деления, а другая, с более деполяризованной мембраной, остается отделенной до восстановления мембранного потенциала. Если потенциал восстанавливается, — она воссоединяется с митохондриальной сетью. Если она остается деполяризованной, то она элиминируется в процессе аутофагии, что является залогом качества пула митохондрий (рис.4).

Длительное ингибирование деления митохондрий (при длительном клеточном голодании) приводит к накоплению поврежденных митохондрий, которые не могут быть сегрегированы [3, 4].

С другой стороны, избыток питательных веществ приводит к ингибированию слияния митохондрий, что приводит к нарушению цикла митохондриальной динамики, увеличивает внутриклеточную митохондриальную гетерогенность. Да, при избытке еды фрагментация митохондрий протективна, однако длительная фрагментация, как и длительное слияние, вредна для контроля качества митохондрий. Не происходит селективного удаления, митохондриальная масса будет уменьшаться и состоять из небольших деполяризованных митохондрий.

Рис.4 Жизненный цикл митохондрий и его регулирование доступностью питательных веществ [из 3]

Митофузины – не просто какие-то белки

На молекулярном уровне слияние митохондрий является двухстадийным процессом, который требует координированного слияния внешней и внутренней мембран в ходе отдельных последовательных событий. У млекопитающих этот процесс регулируется тремя белками, которые относятся к GTPазам: Mfn1 и Mfn2 необходимы для слияния внешней мембраны, а ОРА1 – для слияния внутренней мембраны. Для деления нужны другие белки, — Fis1 и Drp1.

Роль белков-митофузинов была изучена в loss- and gain-of function studies. Мышки, мутантные по белкам-митофузинам, погибают еще в mid-gestation, потому что у них невозможным становится слияние митохондрий. Митофузины важны для процессов аутофагии и митофагии. Снижение экспрессии Mfn2 в кардиомиоцитах блокирует запуск процесса аутофагии, потому что блокируется слияние аутофагосом с лизосомами. Истощение Mfn2 приводит к снижению потенциала мембран митохондрий, для компенсации происходит снижение работы дыхательной цепи, возрастает поглощение глюкозы и снижается синтез гликогена. Клетка переходит на анаэробный глиоклиз, а это – путь к онкологическому перерождению клетки. Дефицит Mfn2 приводит к нейродегенеративным изменениям. Повышение экспрессии Mfn2 в скелетных мышцах повышает их чувствительность к инсулину.

Mfn1 выполняет сходные функции, однако, вероятно, в других тканях (экспрессия Mfn2 и Mfn1 различается в разных тканях) – Mfn1 экспрессируется в большей степени в сердце, печени, поджелудочной, яичках, а Mfn2 в сердце, скелетных мышцах, мозге, бурой жировой ткани.
Таким образом митофузины являются ключевыми регуляторами динамики митохондрий. Экспрессия митофузинов различна в различных органах, они обеспечвают биоэнергетическую эффективность и механизмы адаптации к доступности питательных веществ, а также от них зависит «судьба» клетки. Не удивительно, что митохондриальные fusion белки являются потенциальными таргетами фармакологических вмешательств [2, 5].

Гипоталамус, митохондрии, метаболическая дисфункция и старение

Динамика митохондрий важна во всех клетках. В бета-клетках поджелудочной железы митохондрии являются сенсорами питательных веществ и генераторами сигналов синтеза инсулина, в мышцах динамика митохондрий важна для регуляции метаболизма глюкозы и т.д. Однако человек не просто совокупность клеток разного типа, каждая из которых принимает самостоятельные решения. Организм – это система, у которой есть центральное регуляторное звено поддержания гомеостаза энергии и глюкозы. Этим главным регулятором является гипоталамус.

Гипоталамус расположен в промежуточном мозге и именно он обеспечивает взаимосвязь нервной и гуморальной систем регуляции. Нейроны гипоталамуса воспринимают, обрабатывают и реагируют на сигналы от жировой ткани (лептин), поджелудочной железы (инсулин), и прочие гормональные стимулы (грелин, холецистокинин, панкреатический полипептид и др.). Гипоталамус управляет деятельностью эндокринной системы человека благодаря тому, что его нейроны способны выделять нейроэндокринные трансмиттеры, стимулирующие или угнетающие выработку гормонов гипофизом. Иными словами, гипоталамус, масса которого не превышает 5 % мозга, является центром регуляции эндокринных функций и поддержания гомеостаза всего организма.

Еще Дильман (Дильман В. М «Большие биологические часы») указывал на ведущую роль гипоталамуса в планомерном развитии метаболической дисфункции, приводящей к ожирению, сахарному диабету, сердечно-сосудистым, онкологическим заболеваням и старению. Согласно сформированной Дильманом теории гиперадаптоза чувствительность рецепторов гипоталамуса к сигналам, поступающим от тканей организма (лептин, инсулин и др.) постепенно планомерно снижается с возрастом. Для того, чтобы вызывать его «ответ» нужно все больше и больше того или иного гормона, — больше инсулина, больше лептина. Развивается инсулин- и лептинрезистентность, метаболические заболевания, приводящие к старению и смерти.

В зависимости от выполняемых функций группы нейронов объединяют в ядра гипоталамуса. Одно из них – аркуатное (дугообразное) ядро является ключевым регулятором пищевого поведения и обмена веществ. В нем могут образовываться орексигенные нейропептиды (стимулируют аппетит) и анорексигенные (подавляют аппетит), относящиеся, соответственно к AgRP и POMC нейронам. Периферические сигналы (инсулин, грелин, лептин и др) влияют на экспрессию пептидов, стимулирующих либо подавляющих аппетит, что обеспечивает слаженность центральной регуляции (рис.5).

Рис. 5. Гипоталамический контроль метмболизма энергии. Мозг интегрирует метаболические сигналы (лептин, инсулин, грелин, PYY3-36) от периферических тканей, таких как поджелудочная железа, жировая ткань, желудок. В мозге специализированные нейронные сети координируют адаптивные изменения в поглощении и расходе пищи [из 5].

Так кто и как регулирует чувствительность нейронов гипоталамуса?

Изучение динамики митохондрий в тканях мозга показало, что динамика митохондрий играет существенную роль в способности нейронов гипоталамуса контролировать уровень глюкозы и гомеостаз энергии в организме [6,7,8].

В AgRP нейронах (hunger-promoting AgRP neurons), которые стимулируют аппетит и регулируют набор массы, голодание приводит к делению митохондрий, а high-fat feeding – к слиянию. То есть ответ митохондрий отличается от такового в большинстве других клеток.

Слияние МХ в этих нейронах регулирует электрическую активность в ответ на высокожировую диету, стимулируя выработку орексигенного пептида (AgRP пептида) оно необходимо для набора веса и отложения жира при избытке питательных веществ. Делеции Mfn1 и Mfn2 в этих нейронах приводили к меньшему набору веса у крыс за счет снижения уровня циркулирующего лептина.

РОМС нейроны (подавляют аппетит) имеют противоположную функцию, и динамика митохондрий в ответ на поступление питательных веществ у них иная. Снижение экспрессии митофузинов в этих нейронах приводит к нарушению связи митохондрий с ЭПС, а в результате – гиперфагия, лептинрезистентность и ожирение. При этом возрастало употребление пищи, а энергозатраты снижались.

Таким образом, ответ организма на высокожировую диету зависит от паттернов динамики митохондрий в нейронах гипоталамуса. Ремоделирование митохондрий в нейронах обеспечивает их ответ на поступление в организм питательных веществ, стимулирует выработку нейропептидов, которые будут либо стимулировать либо подавлять аппетит, влияя на метаболизм на уровне организма (Рис.6).

Рис.6. Метаболическая адаптация к стимулам окружающей среды [из 2]

В ответ на экзогенные стимулы Mfns вовлечены в трансдукцию метаболического сигналинга в разных органах, что обеспечивает поддержание гомеостаза энергии всего организма. В частности, в ответ на потребление пищи, изменения температуры, стресс или физические упражнения, бурая жировая ткань, мозг, сердце или скелетные мышцы адаптируют свой метаболизм для контроля питания, веса тела, сократительных функций, антиоксидантного ответа или чувствительности к инсулину.

Как повлиять на динамику митохондрий?

Циклы питания Избыток пищи и высокожировая диета (HFD) ингибирует слияние митохондрий в клетках (в некоторых нейронах мозга механизм иной). Незавершенный цикл деления-слияния митохондрий нарушает процессы аутофагии → увеличивается внутриклеточная гетерогенность митохондрий → не происходит селективного удаления митохондрий → накапливаются митохондрии с дисфункцией.

Calorie restriction (fed/fasting cycle) стимулирует биоэнргетическую адаптацию, обеспечивая работу механизмов качества митохондрий.

2. Здоровые мембраны: стеариновая кислота, кардиолипин, фосфатидная кислота

От «здоровья» мембран митохондрий зависят все ключевые процессы, — аутофагия, митофагия, апоптоз, связь митохондрий с эндоплазматической сетью, динамика митохондрий. Мембраны клеточных органелл состоят из липидов и из белков. Ремоделирование этих мембран контролируется взаимодействиями между специфическими липидами и белками.

К насыщенным жирным кислотам относится пальмитиновая (С16) и стеариновая (С18). Показано, что употребление стеариновой кислоты (C18:0) стимулирует процесс слияния митохондрий. Действие ее связано с влиянием на митофузины. У мышей диетические добавки стеариновой кислоты могут частично восстанавливать митохондриальную дисфункцию, вызванную мутациями в генах Pink1 или parkin. В нейтрофилах людей, находящихся 2 дня на low-С18:0 диете, митохондрии находятся во фрагментированном состоянии (50% клеток имели фрагментированные МХ, 10 % соединенные МХ). Употребление стеариновой кислоты приводило у них к слиянию митохондрий через 3 часа [8]. Таким образом., стериновая кислота важна для поддержания циклов динамики митохондрий. Больше всего стеариновой кислоты находится в какао-бобах (31-34 %).

Фосфолипиды – основные компоненты мембран органелл. Они также регулируют динамику митохондрий, при этом их влияние различно [9].

Кардиолипин (СL) стимулирует деление митохондрий и слияние внутренних мембран.

Кардиолипин необходим для работы комплекса IV (цитрохром С оксидазы) электронтранспортной цепи. Кардиолипин находится практически исключительно во внутренней мембране митохондрий. С возрастом происходит снижение количества кардиолипина. Есть теория, что потеря функции кардиолипина связана с заменой насыщенных жирных кислот в его молекуле полиненасыщенными жирными кислотами. Для решения этого вопроса необходимо вводить в рацион насыщенные жиры, богатые, в первую очередь, стеариновой жирной кислотой.

Для повышения эффективности доставки насыщенных жирных кислот в мембрану возможно использование переносчиков. Например, – использование насыщенного фосфатидилхолина (дипальмитофосфатидилхолин и дисероилфосфатидилхолин), который, потенциально, сможет доставить насыщенные ЖК прямо в кардиолипин [10]. Холин, как переносчик, легко проходит через цитозоль и поступает в митохондрии.

Фосфатидная кислота (РА) ингибирует митохондриальное деление и стимулирует слияние внешних мембран (рис.7).

Рис.7 Регулирование слияния митохондрий фосфатидной кислотой (PA) и кардиолипином (CL) [из 9].

Во внешней мембране (ОМ) РА стимулирует митофузин-опосредованное (Mfn) слияние. Во внутренней мембране (IM) CL стимулирует Opa1-опосредованное слияние. Сокращения: ER — эндоплазматический ретикулум; MitoPLD,- митохондрия-локализованная фосфолипаза D.

3. Регуляция экспрессии митофузинов (белков, отвечающих за динамику митохондрий)

Все, о чем мы говорили выше (сalorie restriction, стеариновая кислота, фосфолипиды) действуют, влияя на экспрессию митофузинов.

Помимо этого, есть ряд препаратов, которые опосредованно могут влиять на динамику митохондрий. К ним можно отнести использование метформина.

Наиболее интересным является использование веществ, которые способны напрямую влиять на экспрессию митофузинов. Одним из потенциальных препаратов назван лефлюномид (leflunomide), который был одобрен FDA [5,11]. Он является индуктором экспрессии Mfn1 и Mfn2, а зарегистрирован был как препарат для лечения ревматоидного артрита.

Генная терапия митохондрий

Нарушение динамики митохондрий может быть связано с нарушением экспрессии белков, отвечающих за слияние и деление митохондрий. Помимо этого, нарушение функции этих белков может быть связано (и это и происходит чаще всего) с их мутациями. Тут есть два подхода к рассмотрению причинно-следственных взаимодействий нарушения функции митохондрий.

Ранее считалось, что образ жизни, в том числе переедание, приводит к образованию свободных радикалов, окислительному стрессу, мутациям митохондриального генома и, последовательно, нарушениям функциии митохондрий. Однако, в последнее время есть убедительные доказательства того, что мутации митохондриальной ДНК неизбежны, есть у всех (heteroplasmic DNA point mutations) и связаны с ошибками репликации, а не с оксидативными повреждениями, к которым митохондриальная ДНК довольно устойчива [12]. Уже на этапе оплодотворенной яйцеклетки часть наших митохондрий несут мутации. Со временем они делятся, мутантных митохондрий становится больше, они не могут нормально выполнять свою функцию.

Рис. 8 Клональное экспансия мутированных молекул мтДНК может приводить к митохондриальной дисфункции или может быть «спасено» компенсационным биогенезом [из 12].

Тут очень кстати можно было бы использовать редактирование генома митохондрий in vivo. Было показано, что для heteroplasmic DNA point mutations у мышей уже был достигнут значительный успех при помощи targeted zinc-finger nucleases (mtZFN) с доставкой при помощи аденовирусного вектора [13].

Перенос митохондрий

Другой многообещающий метод устранения дисфункции митохондрий – это трансплантация митохондрий. Суть этого подхода сводится к «замене» поврежденных митохондрий здоровыми экзогенными митохондриями. Впервые данный подход был использован клинически у детей с ишемией миокарда. Для трансплантации использовали аутологичные изолированные митохондрии, которые изолировали при прямой мышцы живота (делали биопсию, а затем готовили препарат), а затем вводили путем прямой инъекции [14]. Прорабатываются различные подходы введния митохондрий: прямое инъецирование изолированных митохондрий (локальное введение) и системное введение в кровоток, когда митохондрия сама «ищет» в какую клетку ей отправиться. Группы исследователей изучают возможность трансплантации митохондрий при болезни Паркинсона, ишемии печени, инсульте, митохондриальных заболеваниях [15].

Рис.9 Способы доставки экзогенных митохондрий в клетку

Автор Ольга Борисова

1. Kauppila, Timo ES, Johanna HK Kauppila, and Nils-Göran Larsson. «Mammalian mitochondria and aging: an update.» Cell metabolism 25.1 (2017): 57-71.

2. Schrepfer, Emilie, and Luca Scorrano. «Mitofusins, from mitochondria to metabolism.» Molecular cell 61.5 (2016): 683-694.

3. Marc Liesa, Orian Shirihai “Mitochondrial Dynamics in the Regulation of Nutrient Utilization and Energy Expenditure” Cell methabolism (2013): 491-506

4. Ramos, Eduardo Silva, Nils-Göran Larsson, and Arnaud Mourier. «Bioenergetic roles of mitochondrial fusion.» Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 1857.8 (2016): 1277-1283.

5. Cunarro, Juan, et al. «Hypothalamic mitochondrial dysfunction as a target in obesity and metabolic disease.» Frontiers in endocrinology 9 (2018): 283.

6. Marcelo O.Dietrich et al. «Mitochondrial Dynamics Controlled by Mitofusins Regulate Agrp Neuronal Activity and Diet-Induced Obesity”.

7. Steculorum, Sophie M., and Jens C. Brüning. „Sweet mitochondrial dynamics in VMH neurons.“ Cell metabolism 23.4 (2016): 577-579.

8. Senyilmaz-Tiebe, Deniz, et al. „Dietary stearic acid regulates mitochondria in vivo in humans.“ Nature communications 9.1 (2018): 3129.

9. Kameoka, Shoichiro, et al. „Phosphatidic Acid and Cardiolipin Coordinate Mitochondrial Dynamics.“ Trends in cell biology (2017).

10.

11. Miret-Casals, Laia, et al. „Identification of new activators of mitochondrial fusion reveals a link between mitochondrial morphology and pyrimidine metabolism.“ Cell chemical biology25.3 (2018): 268-278.

12. Kauppila, Timo ES, Johanna HK Kauppila, and Nils-Göran Larsson. „Mammalian mitochondria and aging: an update.“ Cell metabolism 25.1 (2017): 57-71.

13. Gammage et al. “Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo” Nature medicine, 2017

14. Emani, Sitaram M., et al. „Autologous mitochondrial transplantation for dysfunction after ischemia-reperfusion injury.“ The Journal of thoracic and cardiovascular surgery 154.1 (2017): 286-289.

(17)30258-1/fulltext

15. McCully, James D., et al. „Mitochondrial transplantation: From animal models to clinical use in humans.“ Mitochondrion 34 (2017): 127-134.

5.9: Клеточное дыхание — Биология LibreTexts

Принесите S’mores!

Этот манящий костер можно использовать как для тепла, так и для света. Тепло и свет — это две формы энергии, которые высвобождаются при сжигании такого топлива, как древесина. Клетки живых существ также получают энергию за счет «горения». Они «сжигают» глюкозу в процессе, называемом клеточным дыханием.

Внутри каждой клетки всех живых существ энергия необходима для осуществления жизненных процессов. Энергия требуется для разрушения и наращивания молекул, а также для переноса многих молекул через плазматические мембраны. Вся работа в жизни требует энергии. Много энергии также просто теряется в окружающую среду в виде тепла. История жизни — это история потока энергии — ее захвата, изменения формы, использования для работы и потери в виде тепла. Энергия, в отличие от материи, не может быть переработана, поэтому организмы требуют постоянного поступления энергии.Жизнь работает на химической энергии. Откуда живые организмы получают эту химическую энергию?

Откуда организмы получают энергию?

Химическая энергия, в которой нуждаются организмы, поступает из пищи. Пища состоит из органических молекул, которые хранят энергию в своих химических связях. Глюкоза — это простой углевод с химической формулой \ (\ mathrm {C_6H_ {12} O_6} \). Он хранит химическую энергию в концентрированной стабильной форме. В вашем теле глюкоза — это форма энергии, которая переносится в вашей крови и поглощается каждым из ваших триллионов клеток.Клетки выполняют клеточное дыхание, чтобы извлечь энергию из связей глюкозы и других молекул пищи. Клетки могут хранить извлеченную энергию в виде АТФ (аденозинтрифосфата).

Что такое АТФ?

Давайте подробнее рассмотрим молекулу АТФ, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Хотя он несет меньше энергии, чем глюкоза, его структура более сложна. «А» в АТФ относится к большей части молекулы — аденозину — комбинации азотистого основания и пятиуглеродного сахара.«Т» и «Р» обозначают три фосфата, связанные связями, которые удерживают энергию, фактически используемую клетками. Обычно разрывается только внешняя связь, чтобы высвободить или потратить энергию на работу клетки.

Молекула АТФ подобна перезаряжаемой батарее: ее энергия может использоваться клеткой, когда она распадается на АДФ (аденозиндифосфат) и фосфат, а затем «изношенная батарея» АДФ может быть перезаряжена с использованием новой энергии для присоединения новый фосфат и восстановить АТФ. Материалы пригодны для вторичной переработки, но помните, что энергия — нет! АДФ может быть далее восстановлен до АМФ (аденозинмонофосфат и фосфат, высвобождая дополнительную энергию.Как и ADT, «перезаряжаемый» до ATP, AMP может быть перезаряжен до ADP.

Сколько энергии нужно для работы вашего тела? Одна клетка использует около 10 миллионов молекул АТФ в секунду и перерабатывает все свои молекулы АТФ примерно каждые 20-30 секунд.

Что такое клеточное дыхание?

Некоторые организмы могут производить себе пищу, а другие — нет. Автотроф — это организм, который может производить свою собственную пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей. Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами , типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов. Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, поэтому они должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы. Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные.Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов.

Клеточное дыхание — это процесс, при котором отдельные клетки расщепляют молекулы пищи, такие как глюкоза, и выделяют энергию. Процесс похож на горение, но не дает света или сильного тепла, как у костра. Это потому, что клеточное дыхание высвобождает энергию глюкозы медленно, многими небольшими шагами. Он использует выделяемую энергию для образования молекул АТФ, молекул-носителей энергии, которые клетки используют для поддержания биохимических процессов.Клеточное дыхание включает в себя множество химических реакций, но все они могут быть сведены в одно химическое уравнение:

\ [\ ce {C6h22O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6h3O + Energy} \ nonumber \]

, где выделяемая энергия выражается в химической энергии в АТФ (а не в тепловой энергии в виде тепла). Приведенное выше уравнение показывает, что глюкоза (\ (\ ce {C6h22O6} \)) и кислород (\ (\ ce {O_2} \)) реагируют с образованием диоксида углерода (\ (\ ce {CO_2} \)) и воды \ ( \ ce {H_2O} \), высвобождая при этом энергию. Поскольку кислород необходим для клеточного дыхания, это аэробный процесс .

Клеточное дыхание происходит в клетках всех живых существ, как автотрофов, так и гетеротрофов. Все они катаболизируют глюкозу с образованием АТФ. Реакции клеточного дыхания можно разделить на три основные стадии и промежуточную стадию: гликолиз , Трансформация пирувата , цикл Кребса (также называемый циклом лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование . Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) дает обзор этих трех этапов, которые также подробно описаны ниже.

Гликолиз

Первая стадия клеточного дыхания — это гликолиз . Этот процесс показан в верхнем блоке на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), где 6-углеродная молекула распадается на две 3-углеродные молекулы пирувата.АТФ производится в этом процессе, который происходит в цитозоле цитоплазмы.

Расщепление глюкозы

Слово гликолиз означает «расщепление глюкозы», что и происходит на этой стадии. Ферменты расщепляют молекулу глюкозы на две молекулы пирувата (также известного как пировиноградная кислота). Это происходит в несколько этапов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Глюкоза сначала расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат (молекула, содержащая 3 атома углерода и фосфатную группу).В этом процессе используется 2 АТФ. Затем каждый глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват (молекулу с 3 атомами углерода). это производит два 4 АТФ и 2 НАДН.

Результаты гликолиза

Энергия необходима в начале гликолиза для расщепления молекулы глюкозы на две молекулы пирувата. Эти две молекулы переходят на II стадию клеточного дыхания. Энергия расщепления глюкозы обеспечивается двумя молекулами АТФ.В процессе гликолиза высвобождается энергия, которая используется для образования четырех молекул АТФ. В результате имеется чистый прирост двух молекул АТФ во время гликолиза. электроны с высокой энергией также передаются молекулам, несущим энергию, называемым переносчиками электронов, посредством процесса
, известного как восстановление. Переносчиком электронов гликолиза является НАД + (никотинамидадениндифосфат) . Электроны переносятся на 2 НАД + с образованием двух молекул НАДН. Энергия, запасенная в НАДН, используется на стадии III клеточного дыхания для производства большего количества АТФ.В конце гликолиза было произведено следующее:
• 2 молекулы НАДН
• 2 чистые молекулы АТФ

Превращение пирувата в ацетил-КоА

В эукариотических клетках молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии, которые являются участками клеточного дыхания. Если кислород доступен, аэробное дыхание будет продолжаться. В митохондриях пируват будет преобразован в двухуглеродную ацетильную группу (путем удаления молекулы углекислого газа), которая будет захвачена соединением-носителем, называемым коферментом A (CoA), который производится из витамина B ₅ .Полученное соединение называется ацетил-КоА, и его образование часто называют окислением или преобразованием пирувата (см. Рисунок \ (\ PageIndex {5} \). Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная функция заключается в доставке ацетильной группы, полученной из пирувата, на следующую стадию пути, цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты

Прежде чем вы прочитаете о последних двух стадиях клеточного дыхания, вам необходимо рассмотреть структуру митохондрии, в которой проходят эти две стадии.Как видно из рисунка \ (\ PageIndex {6} \), митохондрия имеет внутреннюю и внешнюю мембраны. Пространство между внутренней и внешней мембраной называется межмембранным пространством. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называется матрицей. В матрице происходит второй этап клеточного дыхания — цикл Кребса. Третий этап — транспорт электронов — происходит на внутренней мембране.

Напомним, что при гликолизе образуются две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты). Пируват, который имеет три атома углерода, расщепляется и соединяется с КоА, что означает кофермент А.Продукт этой реакции — ацетил-КоА. Эти молекулы входят в матрицу митохондрии, где они запускают цикл лимонной кислоты. Третий углерод из пирувата соединяется с кислородом с образованием диоксида углерода, который выделяется в качестве побочного продукта. Электроны высоких энергий также высвобождаются и захватываются в НАДН. Последующие реакции показаны на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Этапы цикла лимонной кислоты (Кребса)

Цикл лимонной кислоты начинается, когда ацетил-КоА соединяется с четырехуглеродной молекулой, называемой ОАА (оксалоацетат; см. Нижнюю панель рисунка \ (\ PageIndex {7} \)).Это производит лимонную кислоту, которая имеет шесть атомов углерода. Вот почему цикл Кребса также называют циклом лимонной кислоты. После образования лимонной кислоты она проходит ряд реакций, высвобождающих энергию. Эта энергия улавливается молекулами АТФ и переносчиками электронов. Цикл Кребса имеет два типа энергонесущих электронных носителей: НАД + и ФАД. Перенос электронов в FAD во время цикла Креба дает молекулу FADH ₂ . Двуокись углерода также выделяется как побочный продукт этих реакций.Последний этап цикла Кребса восстанавливает OAA, молекулу, которая начала цикл Кребса. Эта молекула нужна на следующем этапе цикла. Два оборота необходимы, потому что при расщеплении глюкозы гликолиз производит две молекулы пирувата.

Результаты цикла лимонной кислоты

После второго поворота цикла лимонной кислоты исходная молекула глюкозы полностью разрушилась.Все шесть его атомов углерода объединились с кислородом с образованием диоксида углерода. Энергия его химических связей была сохранена в 16 молекулах-носителях энергии. Эти молекулы:

• 2 ATP
• 8 NADH
• 2 FADH \ (_ 2 \)
• 6 CO \ (_ 2 \): 2 CO \ (_ 2 \) от превращения ацетил-CoA и 4 CO \ (_ 2 \) из цикла лимонной кислоты.

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — заключительный этап аэробного клеточного дыхания.Существует две стадии окислительного фосфорилирования: электронно-транспортная цепь и хемиосмос. На этих стадиях энергия НАДН и ФАДН ₂ , возникающая в результате предыдущих стадий клеточного дыхания, используется для создания АТФ.

Цепь транспортировки электронов (ETC)

На этой стадии высокоэнергетические электроны высвобождаются из НАДН и ФАДН ₂ , и они перемещаются по электронно-транспортным цепям, находящимся во внутренней мембране митохондрии.Цепь переноса электронов — это серия молекул, которые переносят электроны от молекулы к молекуле с помощью химических реакций. Эти молекулы составляют три комплекса цепи переноса электронов (красные структуры внутренней мембраны на рисунке \ (\ PageIndex {8} \)). Когда электроны проходят через эти молекулы, часть энергии электронов используется для перекачки ионов водорода (H +) через внутреннюю мембрану из матрицы в межмембранное пространство. Этот перенос ионов создает электрохимический градиент, который стимулирует синтез АТФ.Электроны из конечного белка ETC приобретаются молекулой кислорода, и он восстанавливается до воды в матрице митохондрии.

Хемиосмос

Прокачка ионов водорода через внутреннюю мембрану создает большую концентрацию этих ионов в межмембранном пространстве, чем в матрице, создавая электрохимический градиент. Этот градиент заставляет ионы течь обратно через мембрану в матрицу, где их концентрация ниже. Поток этих ионов происходит через белковый комплекс, известный как комплекс АТФ-синтазы (см. Синюю структуру на внутренней мембране на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).АТФ-синтаза действует как белок канала, помогая ионам водорода проходить через мембрану. Поток протонов через АТФ-синтазу считается хемиосмосом. АТФ-синтаза также действует как фермент, образуя АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Именно поток ионов водорода через АТФ-синтазу дает энергию для синтеза АТФ. Пройдя через цепь переноса электронов, электроны с низкой энергией соединяются с кислородом, образуя воду.

Сколько АТФ?

Вы видели, как три стадии аэробного дыхания используют энергию глюкозы для производства АТФ.Сколько АТФ производится на всех трех стадиях вместе взятых? Гликолиз производит 2 молекулы АТФ, а цикл Кребса производит еще 2 молекулы. Электронный транспорт от молекул НАДН и ФАДН ₂ , образованный в результате гликолиза, трансформации пирувата и цикла Кребса, создает еще 32 молекулы АТФ. Таким образом, в процессе клеточного дыхания из одной молекулы глюкозы может быть образовано до 36 молекул АТФ.

Обзор

1. Какова цель клеточного дыхания? Кратко опишите процесс.
2. Нарисуйте и объясните структуру АТФ (аденозинтрифосфат).
3. Укажите, что происходит во время гликолиза.
4. Опишите структуру митохондрии.
5. Обрисуйте этапы цикла Кребса.
6. Что происходит на этапе переноса электронов клеточного дыхания?
7. Сколько молекул АТФ может быть произведено из одной молекулы глюкозы на всех трех стадиях клеточного дыхания вместе взятых?
8. Испытывают ли растения клеточное дыхание? Почему или почему нет?
9. Объясните, почему процесс клеточного дыхания, описанный в этом разделе, считается аэробным.
10. Назовите три молекулы, несущие энергию, участвующие в клеточном дыхании.
11. Энергия хранится в химическом веществе _________ в молекуле глюкозы.
12. Верно или неверно . Во время клеточного дыхания НАДН и АТФ используются для производства глюкозы.
13. Верно или неверно . АТФ-синтаза действует как фермент и как белок канала.
14. Верно или неверно . Углероды из глюкозы попадают в молекулы АТФ в конце клеточного дыхания.
15. На какой стадии аэробного клеточного дыхания вырабатывается больше всего АТФ?

Узнать больше

Посмотрите видео ниже, чтобы получить подробный обзор клеточного дыхания.

Основы фосфорилирования

Определение фосфорилирования

Фосфорилирование — это добавление к молекуле фосфорильной (PO ₃ ) группы. В биологических системах эта реакция жизненно важна для клеточного хранения и передачи свободной энергии с помощью молекул энергоносителя.Аденозин-5’-трифосфат (АТФ), самая распространенная молекула-носитель энергии, имеет две высокоэнергетические фосфатно-фосфатные связи, которые могут быть разорваны, чтобы высвободить свободную энергию, когда она необходима клетке для питания различных клеточных процессов. Аналогичным образом, избыточная свободная энергия может использоваться для синтеза АТФ посредством фосфорилирования аденозин-5’-дифосфата (АДФ), эффективно сохраняя его в качестве химической энергии для дальнейшего использования. Превращение АДФ в АТФ может происходить посредством двух видов фосфорилирования: окислительного фосфорилирования и фосфорилирования на уровне субстрата.Основное различие между этими двумя процессами заключается в источнике свободной энергии, используемой для фосфорилирования.

Что такое окислительное фосфорилирование?

Во время окислительного фосфорилирования энергия, выделяемая при окислении питательных веществ ферментами, используется для запуска энергозатратных реакций фосфорилирования (т.е. окисление и фосфорилирование связаны ). Энергия захватывается, когда электроны передаются от доноров электронов к акцепторам электронов, таким как кислород, в серии реакций окисления-восстановления (окислительно-восстановительных).Эта энергия в конечном итоге используется для питания синтезирующего АТФ фермента, называемого АТФ-синтазой, посредством процесса, называемого переносом электронов. Окислительное фосфорилирование очень эффективно, но происходит только в аэробных условиях.

Что такое фосфорилирование на уровне субстрата?

В отличие от окислительного фосфорилирования, фосфорилирование на уровне субстрата не связывает фосфорилирование с окислением; скорее, свободная энергия, необходимая для фосфорилирования, обеспечивается химической энергией, высвобождаемой при преобразовании субстрата с более высокой энергией в продукт с более низкой энергией.Фосфорилирование на уровне субстрата происходит в цитоплазме клеток (гликолиз) и в митохондриях (цикл Кребса). Это может происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях и обеспечивает более быстрый, но менее эффективный источник АТФ по сравнению с окислительным фосфорилированием.

АТФ-синтаза — полное руководство

АТФ-синтаза Определение

АТФ-синтаза — это фермент, который непосредственно генерирует аденозинтрифосфат (АТФ) в процессе клеточного дыхания. АТФ — это основная молекула энергии, используемая в клетках.АТФ-синтаза образует АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P _i ) посредством окислительного фосфорилирования, которое представляет собой процесс, в котором ферменты окисляют питательные вещества с образованием АТФ. АТФ-синтаза присутствует во всех формах жизни и поддерживает всю клеточную деятельность.

Функция АТФ-синтазы

Функция АТФ-синтазы — производить АТФ. АТФ необходим для питания всех клеточных процессов, поэтому он постоянно используется клетками и должен постоянно вырабатываться.Каждая АТФ-синтаза может производить около 100 молекул АТФ каждую секунду. У эукариот, таких как растения, животные и грибы, есть органеллы, называемые митохондриями, которые в основном функционируют как продуценты АТФ. У растений также есть хлоропласты, которые содержат АТФ-синтазу и могут производить АТФ из солнечного света и углекислого газа. Бактерии и археи, из которых состоят прокариоты, не имеют митохондрий, но производят АТФ посредством аналогичных процессов клеточного дыхания в их плазматической мембране. Во всех формах жизни АТФ-синтаза в основном имеет одинаковую структуру и функцию.Следовательно, считается, что он появился на раннем этапе эволюции жизни и был обнаружен у последнего общего предка всего живого на Земле.

Структура АТФ-синтазы

АТФ-синтаза состоит из двух частей. Часть, встроенная в мембрану митохондрий (у эукариот), тилакоидную мембрану хлоропласта (только у растений) или плазматическую мембрану (у прокариот), называется F _O . Это двигатель, который приводится в действие ионами H ⁺ , протекающими через мембрану.Часть внутри митохондрий, стромы хлоропласта или внутри бактериальной или архейной клетки называется F ₁ -АТФаза. Это еще один двигатель, который используется для выработки АТФ. Считается, что эти две части представляют собой две отдельные структуры с двумя разными функциями, которые в конечном итоге превратились в АТФ-синтазу. Область F _O похожа на ДНК-геликазы (ферменты, которые распаковывают ДНК, чтобы ее можно было использовать в качестве матрицы для репродукции), в то время как область F ₁ -ATPase похожа на двигатели H ⁺ , которые позволяют жгутикам , похожие на руки придатки некоторых бактерий, чтобы двигаться.F ₁ -ATPase имеет центральный стержень и ротор, который при повороте преобразует ADP и P _i в АТФ.

Это отображение структуры АТФ-синтазы. F _O показан синим и фиолетовым, а F ₁ -ATPase показан красным.

Синтез АТФ

АТФ производится различными способами: посредством клеточного дыхания в митохондриях, во время фотосинтеза в хлоропластах растений и через внутреннюю мембрану бактерий и архей, у которых нет митохондрий.Хотя методы производства АТФ различаются для разных типов организмов, все они следуют схожей основной процедуре.

В митохондриях эукариот молекулы НАДН и ФАДН ₂ , которые являются продуктами цикла лимонной кислоты, передают электроны вниз по цепи переноса электронов, где они проходят через три различных белковых комплекса. Этот процесс высвобождает энергию, и эта энергия позволяет протонам (ионы H ⁺ ) перемещаться вниз по протонному градиенту через белковые комплексы, которые действуют как протонные насосы.Поток этих протонов вниз по градиенту поворачивает ротор и ножку АТФ-синтазы, что позволяет фосфатной группе соединяться с аденозиндифосфатом (АДФ), образуя АТФ. В хлоропластах процесс аналогичен, за исключением того, что световая энергия — это тип энергии, который возбуждает электроны, заставляя их течь вниз по цепи переноса электронов и позволяя ионам H ⁺ проходить через мембрану в хлоропласте. Эти методы похожи у очень разных организмов, поскольку способность генерировать АТФ существовала у общего предка всех живых организмов.

• Аденозинтрифосфат (АТФ) — основная энергетическая молекула, используемая клеткой.
• Эукариоты — Организмы, которые имеют эукариотические клетки, которые представляют собой сложные клетки с истинным ядром и органеллами.
• Митохондрии — Органелла в клетках эукариот, вырабатывающая АТФ.
• Хлоропласт — Органелла в растительных клетках, которая, помимо митохондрий, производит АТФ посредством фотосинтеза.

Викторина

1.У каких организмов нет митохондрий?
A. Бактерии
B. Животные
C. Растения
D. Грибы

Ответ на вопрос № 1

A правильный. Бактерии не имеют митохондрий и вместо этого производят АТФ через молекулы АТФ-синтазы, которые находятся в их внутренних мембранах. Археи, не перечисленные выше, также не имеют митохондрий; археи и бактерии являются прокариотами и не имеют настоящего ядра или других клеточных органелл.

2. Какой компонент не является частью процесса синтеза АТФ?
A. Цепь переноса электронов
B. Градиент протонов
C. Жгутик
D. Ротор и ножка АТФ-синтазы

Ответ на вопрос № 2

C правильный. Варианты A, B и D — все этапы синтеза АТФ. Жгутики — это придатки в виде рук, которые есть у некоторых бактерий; они позволяют бактериям двигаться. Жгутики имеют моторы H ⁺ , которые похожи на F ₁ -АТФазу, один из компонентов АТФ-синтазы.

3. Какая часть АТФ-синтазы является мотором?
A. F _O
B. F ₁ -ATPase
C. Оба
D. Ни один из

Ответ на вопрос № 3

C правильный. Обе части АТФ-синтазы, F _O и F ₁ -АТФаза, являются моторами. F _O — это двигатель, который приводится в действие градиентом протонов через мембрану, который возникает из-за того, что цепь переноса электронов высвобождает энергию.F ₁ -ATPase тоже мотор; он похож на моторы жгутиков некоторых бактерий. Действие F _O превращает F ₁ -АТФазу в генератор АТФ.

Окислительное фосфорилирование | Безграничная биология

Электронная транспортная цепь

Цепь переноса электронов использует электроны от переносчиков электронов для создания химического градиента, который можно использовать для усиления окислительного фосфорилирования.

Цели обучения

Опишите, как электроны движутся по цепи переноса электронов

Основные выводы

Ключевые моменты

• Окислительное фосфорилирование — это метаболический путь, по которому электроны передаются от доноров электронов к акцепторам электронов в окислительно-восстановительных реакциях; Эта серия реакций высвобождает энергию, которая используется для образования АТФ.
• В цепи переноса электронов есть четыре белковых комплекса (обозначенные как комплекс I-IV), которые участвуют в перемещении электронов от NADH и FADH ₂ к молекулярному кислороду.
• Комплекс I устанавливает градиент ионов водорода, перекачивая четыре иона водорода через мембрану из матрицы в межмембранное пространство.
• Комплекс II получает FADH ₂ , который обходит комплекс I и доставляет электроны непосредственно в цепь переноса электронов.
• Убихинон (Q) принимает электроны как от комплекса I, так и от комплекса II и доставляет их в комплекс III.
• Комплекс III качает протоны через мембрану и передает свои электроны цитохрому с для транспортировки к четвертому комплексу белков и ферментов.
• Комплекс IV восстанавливает кислород; восстановленный кислород затем захватывает два иона водорода из окружающей среды, чтобы сделать воду.

Ключевые термины

• простетическая группа : Небелковый компонент конъюгированного белка.
• комплекс : структура, состоящая из центрального атома, молекулы или белка, слабо связанных с окружающими атомами, молекулами или белками.
• убихинон : жирорастворимое вещество, которое является компонентом цепи переноса электронов и принимает электроны от комплексов I и II.

Окислительное фосфорилирование — это высокоэффективный метод производства большого количества АТФ, основной единицы энергии для метаболических процессов. Во время этого процесса между молекулами происходит обмен электронами, что создает химический градиент, который позволяет производить АТФ.Наиболее важной частью этого процесса является цепь переноса электронов, которая производит больше АТФ, чем любая другая часть клеточного дыхания.

Цепь транспортировки электронов

Цепь переноса электронов — заключительный компонент аэробного дыхания и единственная часть метаболизма глюкозы, в которой используется атмосферный кислород. Электронный транспорт — это серия окислительно-восстановительных реакций, напоминающих эстафету. Электроны быстро передаются от одного компонента к следующему, до конечной точки цепочки, где электроны восстанавливают молекулярный кислород, производя воду.Эту потребность в кислороде на последних стадиях цепи можно увидеть в общем уравнении клеточного дыхания, для которого требуются как глюкоза, так и кислород.

Комплекс — это структура, состоящая из центрального атома, молекулы или белка, слабо связанных с окружающими атомами, молекулами или белками. Цепь переноса электронов представляет собой совокупность четырех таких комплексов (обозначенных с I по IV) вместе с соответствующими переносчиками мобильных электронов. Цепь переноса электронов присутствует в множестве копий во внутренней митохондриальной мембране эукариот и плазматической мембране прокариот.

Цепь переноса электронов : Цепь переноса электронов представляет собой серию переносчиков электронов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий, которые перемещают электроны от НАДН и ФАДН ₂ к молекулярному кислороду. В процессе протоны перекачиваются из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство, и кислород восстанавливается с образованием воды.

Комплекс I

Для начала, два электрона переносятся к первому комплексу на борту НАДН. Комплекс I состоит из флавинмононуклеотида (FMN) и фермента, содержащего железо-серу (Fe-S).FMN, который является производным витамина B ₂ (также называемого рибофлавином), является одной из нескольких простетических групп или кофакторов в цепи переноса электронов. Простетическая группа — это небелковая молекула, необходимая для активности белка. Протезные группы могут быть органическими или неорганическими и представляют собой непептидные молекулы, связанные с белком, которые облегчают его функцию.

Протезные группы включают коферменты, которые являются простетическими группами ферментов. Фермент в комплексе I — НАДН-дегидрогеназа, очень большой белок, содержащий 45 аминокислотных цепей.Комплекс I может перекачивать четыре иона водорода через мембрану из матрицы в межмембранное пространство; таким образом устанавливается и поддерживается градиент ионов водорода между двумя отсеками, разделенными внутренней митохондриальной мембраной.

Q и Комплекс II

Комплекс II напрямую получает FADH ₂ , который не проходит через комплекс I. Соединение, соединяющее первый и второй комплексы с третьим, представляет собой убихинон (Q). Молекула Q жирорастворима и свободно перемещается через гидрофобное ядро ​​мембраны.После восстановления до QH ₂ убихинон доставляет свои электроны к следующему комплексу в цепи переноса электронов. Q получает электроны, полученные из NADH из комплекса I, и электроны, полученные из FADH ₂ из комплекса II, включая сукцинатдегидрогеназу. Этот фермент и FADH ₂ образуют небольшой комплекс, который доставляет электроны непосредственно в цепь переноса электронов, минуя первый комплекс. Поскольку эти электроны обходят протонную помпу в первом комплексе и, таким образом, не возбуждают ее, из электронов FADH ₂ образуется меньше молекул АТФ.Количество полученных в конечном итоге молекул АТФ прямо пропорционально количеству протонов, прокачиваемых через внутреннюю митохондриальную мембрану.

Комплекс III

Третий комплекс состоит из цитохрома b, другого белка Fe-S, центра Риске (центр 2Fe-2S) и белков цитохрома с; этот комплекс также называют цитохром-оксидоредуктазой. Белки цитохрома имеют группу простетического гема. Молекула гема похожа на гем в гемоглобине, но несет электроны, а не кислород.В результате ион железа в своей сердцевине восстанавливается и окисляется по мере прохождения электронов, колеблясь между различными степенями окисления: Fe ²⁺ (восстановленный) и Fe ³⁺ (окисленный). Молекулы гема в цитохромах имеют немного разные характеристики из-за эффектов связывания разных белков, что делает каждый комплекс сложным. Комплекс III перекачивает протоны через мембрану и передает свои электроны цитохрому с для транспортировки к четвертому комплексу белков и ферментов.Цитохром с является акцептором электронов от Q; однако, в то время как Q несет пары электронов, цитохром с может принимать только один за раз.

Комплекс IV

Четвертый комплекс состоит из белков цитохрома c, a и a ₃ . Этот комплекс содержит две гемовые группы (по одной в каждом из цитохромов а и ₃ ) и три иона меди (пару Cu _A и одну Cu _B в цитохроме а ₃ ). Цитохромы очень плотно удерживают молекулу кислорода между ионами железа и меди до полного восстановления кислорода.Восстановленный кислород затем захватывает два иона водорода из окружающей среды с образованием воды (H ₂ O). Удаление ионов водорода из системы также способствует ионному градиенту, используемому в процессе хемиосмоса.

Хемиосмос и окислительное фосфорилирование

Хемиосмос — это движение ионов через избирательно проницаемую мембрану вниз по их электрохимическому градиенту.

Цели обучения

Опишите, как энергия, полученная от цепи переноса электронов, способствует хемиосмосу, и обсудите роль ионов водорода в синтезе АТФ

Основные выводы

Ключевые моменты

• Во время хемиосмоса свободная энергия от ряда реакций, составляющих цепь переноса электронов, используется для перекачки ионов водорода через мембрану, создавая электрохимический градиент.
• Ионы водорода в матричном пространстве могут проходить через внутреннюю митохондриальную мембрану только через мембранный белок, называемый АТФ-синтазой.
• Когда протоны проходят через АТФ-синтазу, АДФ превращается в АТФ.
• Производство АТФ в процессе хемиосмоса в митохондриях называется окислительным фосфорилированием.

Ключевые термины

• АТФ-синтаза : важный фермент, который обеспечивает клетку энергией для использования посредством синтеза аденозинтрифосфата (АТФ).
• окислительное фосфорилирование : метаболический путь, в котором энергия, выделяемая при окислении питательных веществ, используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ).
• хемиосмос : движение ионов через избирательно проницаемую мембрану вниз по их электрохимическому градиенту.

Во время хемиосмоса переносчики электронов, такие как НАДН и ФАДН, отдают электроны цепи переноса электронов. Электроны вызывают изменения конформации в форме белков, чтобы перекачивать H + через избирательно проницаемую клеточную мембрану.Неравномерное распределение ионов H ⁺ через мембрану устанавливает как концентрацию, так и электрические градиенты (таким образом, электрохимический градиент) из-за положительного заряда ионов водорода и их агрегации на одной стороне мембраны.

Хемиосмос : При окислительном фосфорилировании градиент ионов водорода, образованный цепью переноса электронов, используется АТФ-синтазой для образования АТФ.

Если бы мембрана была открыта для диффузии ионов водорода, ионы имели бы тенденцию самопроизвольно диффундировать обратно в матрицу под действием их электрохимического градиента.Однако многие ионы не могут диффундировать через неполярные области фосфолипидных мембран без помощи ионных каналов. Точно так же ионы водорода в матричном пространстве могут проходить через внутреннюю митохондриальную мембрану только через мембранный белок, называемый АТФ-синтазой. Этот белок действует как крошечный генератор, который вращается под действием диффундирующих через него ионов водорода вниз по их электрохимическому градиенту. Вращение этой молекулярной машины использует потенциальную энергию, накопленную в градиенте ионов водорода, для добавления фосфата к АДФ, образуя АТФ.

АТФ-синтаза : АТФ-синтаза представляет собой сложную молекулярную машину, которая использует протонный (H +) градиент для образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Pi).

Хемиосмос используется для выработки 90 процентов АТФ, вырабатываемого во время аэробного катаболизма глюкозы. Производство АТФ с использованием процесса хемиосмоса в митохондриях называется окислительным фосфорилированием. Это также метод, используемый в световых реакциях фотосинтеза, чтобы использовать энергию солнечного света в процессе фотофосфорилирования.Общий результат этих реакций — производство АТФ из энергии электронов, удаленных от атомов водорода. Эти атомы изначально были частью молекулы глюкозы. В конце пути электроны используются для восстановления молекулы кислорода до ионов кислорода. Дополнительные электроны кислорода притягивают ионы водорода (протоны) из окружающей среды, и образуется вода.

Доходность ATP

Количество энергии (в виде АТФ), полученное в результате катаболизма глюкозы, варьируется у разных видов и зависит от других связанных клеточных процессов.

Цели обучения

Опишите происхождение вариабельности количества АТФ, которое вырабатывается на молекулу потребленной глюкозы

Основные выводы

Ключевые моменты

• В то время как катаболизм глюкозы всегда производит энергию, количество производимой энергии (в эквиваленте АТФ) может варьироваться, особенно у разных видов.
• Количество ионов водорода, которые комплексы цепи переноса электронов могут прокачивать через мембрану, варьируется в зависимости от вида.
• NAD ⁺ обеспечивает больше АТФ, чем FAD ⁺ в цепи переноса электронов, и может привести к отклонениям в производстве АТФ.
• Использование промежуточных продуктов катаболизма глюкозы в других путях биосинтеза, таких как синтез аминокислот, может снизить выход АТФ.

Ключевые термины

• катаболизм : разрушительный метаболизм, обычно включающий выделение энергии и разрушение материалов.

Доходность ATP

В эукариотической клетке процесс клеточного дыхания может превращать одну молекулу глюкозы в 30–32 АТФ.Процесс гликолиза производит только два АТФ, в то время как все остальные производятся во время цепи переноса электронов. Ясно, что цепь переноса электронов намного эффективнее, но она может осуществляться только в присутствии кислорода.

Клеточное дыхание в эукариотической клетке : Гликолиз в левой части этой иллюстрации можно увидеть, чтобы получить 2 молекулы АТФ, в то время как часть цепи переноса электронов в верхнем правом углу даст оставшиеся 30-32 молекулы АТФ в присутствии кислород.

Количество молекул АТФ, образующихся в результате катаболизма глюкозы, может существенно различаться. Например, количество ионов водорода, которые комплексы цепи переноса электронов могут прокачивать через мембрану, варьируется в зависимости от вида. Другой источник дисперсии возникает во время перемещения электронов через мембраны митохондрий. НАДН, образующийся в результате гликолиза, не может легко попасть в митохондрии. Таким образом, электроны улавливаются внутри митохондрий либо NAD ⁺ , либо FAD ⁺ .Эти молекулы FAD ⁺ могут переносить меньше ионов; следовательно, когда FAD ⁺ действует как носитель, образуется меньше молекул АТФ. NAD ⁺ используется в качестве переносчика электронов в печени, а FAD ⁺ действует в головном мозге.

Аденозинтрифосфат : АТФ является основным источником энергии для многих живых организмов.

Еще одним фактором, влияющим на выход молекул АТФ, генерируемых из глюкозы, является тот факт, что промежуточные соединения в этих путях используются для других целей.Катаболизм глюкозы связан с путями, которые создают или разрушают все другие биохимические соединения в клетках, но результат не всегда идеален. Например, сахар, отличный от глюкозы, попадает в гликолитический путь для извлечения энергии. Более того, пятиуглеродные сахара, образующие нуклеиновые кислоты, производятся из промежуточных продуктов гликолиза. Некоторые заменимые аминокислоты могут быть получены из промежуточных продуктов как гликолиза, так и цикла лимонной кислоты. Липиды, такие как холестерин и триглицериды, также производятся из промежуточных продуктов в этих путях, и как аминокислоты, так и триглицериды расщепляются для получения энергии через эти пути.В целом в живых системах эти пути катаболизма глюкозы извлекают около 34 процентов энергии, содержащейся в глюкозе.

4.3 Цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите расположение цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования в клетке
• Опишите общий результат цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования с точки зрения продуктов каждого
• Опишите отношения гликолиза, цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования с точки зрения их входов и выходов.

В эукариотических клетках молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии , которые являются участками клеточного дыхания. Если кислород доступен, аэробное дыхание будет продолжаться. В митохондриях пируват будет преобразован в двухуглеродную ацетильную группу (путем удаления молекулы углекислого газа), которая будет захвачена соединением-носителем, называемым коферментом A (CoA), который производится из витамина B ₅ . Полученное соединение называется ацетил-КоА.(Рисунок 4.17). Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная функция заключается в доставке ацетильной группы, полученной из пирувата, на следующий путь катаболизма глюкозы.

Подобно превращению пирувата в ацетил-КоА, цикл лимонной кислоты в эукариотических клетках происходит в матрице митохондрий . В отличие от гликолиза, цикл лимонной кислоты является замкнутым циклом: последняя часть пути регенерирует соединение, используемое на первом этапе.Восемь этапов цикла представляют собой серию химических реакций, в результате которых образуются две молекулы диоксида углерода, одна молекула АТФ (или эквивалент) и восстановленные формы (НАДН и ФАДН ₂ ) NAD ⁺ и FAD ⁺ , важные коферменты в клетке. Частично это считается аэробным (требующим кислорода) путем, потому что образующиеся NADH и FADH ₂ должны передавать свои электроны на следующий путь в системе, который будет использовать кислород. Если кислорода нет, этот перенос не происходит.

Два атома углерода входят в цикл лимонной кислоты от каждой ацетильной группы. Две молекулы углекислого газа высвобождаются на каждом витке цикла; однако они не содержат тех же атомов углерода, что и ацетильная группа на этом повороте пути. Два ацетил-углеродных атома в конечном итоге будут высвобождены на более поздних этапах цикла; таким образом, все шесть атомов углерода исходной молекулы глюкозы в конечном итоге будут выделены в виде диоксида углерода. Для обработки эквивалента одной молекулы глюкозы требуется два оборота цикла.Каждый виток цикла формирует три высокоэнергетические молекулы НАДН и одну высокоэнергетическую молекулу FADH ₂ . Эти высокоэнергетические носители соединяются с последней частью аэробного дыхания для производства молекул АТФ. Один АТФ (или его эквивалент) также производится в каждом цикле. Некоторые промежуточные соединения в цикле лимонной кислоты можно использовать для синтеза заменимых аминокислот; следовательно, цикл одновременно анаболический и катаболический.

Вы только что прочитали о двух путях катаболизма глюкозы — гликолизе и цикле лимонной кислоты — которые генерируют АТФ. Однако большая часть АТФ, образующегося при аэробном катаболизме глюкозы, не образуется непосредственно этими путями. Скорее, это происходит из процесса, который начинается с прохождения электронов через ряд химических реакций к конечному акцептору электронов, кислороду.Эти реакции происходят в специализированных белковых комплексах, расположенных в внутренней мембране митохондрий эукариотических организмов и на внутренней части клеточной мембраны прокариотических организмов. Энергия электронов собирается и используется для создания электрохимического градиента через внутреннюю митохондриальную мембрану. Потенциальная энергия этого градиента используется для генерации АТФ . Весь этот процесс называется окислительным фосфорилированием.

Цепь переноса электронов (рис. 4.19 a ) является последним компонентом аэробного дыхания и единственной частью метаболизма, в которой используется атмосферный кислород. Для этого кислород непрерывно диффундирует в растения. У животных кислород попадает в организм через дыхательную систему. Электронный транспорт представляет собой серию химических реакций, которые напоминают бригаду ведер, в которой электроны быстро передаются от одного компонента к другому, к конечной точке цепочки, где кислород является конечным акцептором электронов и образуется вода.Есть четыре комплекса, состоящие из белков, обозначенных I — IV на рис. 4.19 c , и агрегация этих четырех комплексов вместе со связанными мобильными дополнительными переносчиками электронов называется цепью переноса электронов. Цепь переноса электронов присутствует в множестве копий во внутренней митохондриальной мембране эукариот и в плазматической мембране прокариот. При каждом переносе электрона через цепь переноса электронов электрон теряет энергию, но при некоторых передачах энергия сохраняется в виде потенциальной энергии за счет ее использования для перекачки ионов водорода через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство, создавая электрохимический градиент. .

Цианид ингибирует цитохром с оксидазу, компонент цепи переноса электронов. Если произойдет отравление цианидом, ожидаете ли вы, что pH межмембранного пространства увеличится или уменьшится? Как цианид повлияет на синтез АТФ?

Электроны от НАДН и ФАДН ₂ передаются белковым комплексам в цепи переноса электронов.Когда они передаются от одного комплекса к другому (их всего четыре), электроны теряют энергию, и часть этой энергии используется для перекачки ионов водорода из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство. В четвертом белковом комплексе электроны принимаются кислородом, конечным акцептором. Затем кислород со своими дополнительными электронами соединяется с двумя ионами водорода, дополнительно увеличивая электрохимический градиент, с образованием воды. Если бы в митохондрии не было кислорода, электроны не могли бы быть удалены из системы, и вся электронная транспортная цепочка восстановилась бы и остановилась.Митохондрии не смогут таким образом генерировать новый АТФ, и клетка в конечном итоге погибнет от недостатка энергии. Это причина, по которой мы должны дышать, чтобы получить новый кислород.

В цепи переноса электронов свободная энергия от серии только что описанных реакций используется для перекачки ионов водорода через мембрану. Неравномерное распределение ионов H ⁺ через мембрану создает электрохимический градиент из-за положительного заряда ионов H ⁺ и их более высокой концентрации на одной стороне мембраны.

Ионы водорода диффундируют через внутреннюю мембрану через интегральный мембранный белок, называемый АТФ-синтазой (рис. 4.19 b ). Этот сложный белок действует как крошечный генератор, вращаемый силой диффундирующих через него ионов водорода вниз по их электрохимическому градиенту из межмембранного пространства, где много ионов водорода, отталкивающих друг друга, к матрице, где их мало. Вращение частей этой молекулярной машины регенерирует АТФ из АДФ. Этот поток ионов водорода через мембрану через АТФ-синтазу называется хемиосмосом.

Хемиосмос (рис. 4.19, c ) используется для выработки 90 процентов АТФ, вырабатываемого во время аэробного катаболизма глюкозы. Результатом реакций является производство АТФ из энергии электронов, удаленных от атомов водорода. Эти атомы изначально были частью молекулы глюкозы. В конце системы переноса электронов электроны используются для восстановления молекулы кислорода до ионов кислорода. Дополнительные электроны на ионах кислорода притягивают ионы водорода (протоны) из окружающей среды, и образуется вода.Цепь переноса электронов и производство АТФ посредством хемиосмоса вместе называются окислительным фосфорилированием.

Количество молекул АТФ, образующихся в результате катаболизма глюкозы, варьируется. Например, количество ионов водорода, которые комплексы цепи переноса электронов могут перекачивать через мембрану, варьируется между видами. Другой источник дисперсии связан с перемещением электронов через митохондриальную мембрану. НАДН, образующийся в результате гликолиза, не может легко попасть в митохондрии.Таким образом, электроны улавливаются внутри митохондрий либо NAD ⁺ , либо FAD ⁺ . Когда FAD ⁺ действует как носитель, образуется меньше молекул АТФ. NAD ⁺ используется в качестве переносчика электронов в печени и FAD ⁺ в головном мозге, поэтому выход АТФ зависит от рассматриваемой ткани.

Другой фактор, влияющий на выход молекул АТФ, генерируемых из глюкозы, заключается в том, что промежуточные соединения в этих путях используются для других целей.Катаболизм глюкозы связан с путями, которые создают или разрушают все другие биохимические соединения в клетках, и результат несколько хуже, чем идеальные ситуации, описанные до сих пор. Например, сахар, отличный от глюкозы, попадает в гликолитический путь для извлечения энергии. Другие молекулы, которые в противном случае использовались бы для сбора энергии в гликолизе или цикле лимонной кислоты, могут быть удалены с образованием нуклеиновых кислот, аминокислот, липидов или других соединений. В целом в живых системах эти пути катаболизма глюкозы извлекают около 34 процентов энергии, содержащейся в глюкозе.

Врач по митохондриальным болезням

Что происходит, если критические реакции клеточного дыхания не протекают правильно? Митохондриальные заболевания — это генетические нарушения обмена веществ. Митохондриальные расстройства могут возникать в результате мутаций в ядерной или митохондриальной ДНК, и они приводят к выработке меньшего количества энергии, чем обычно в клетках организма. Симптомы митохондриальных заболеваний могут включать мышечную слабость, нарушение координации, эпизоды, похожие на инсульт, а также потерю зрения и слуха.Большинство пораженных людей диагностируется в детстве, хотя есть некоторые болезни, начинающиеся у взрослых. Выявление и лечение митохондриальных нарушений — это специализированная область медицины. Образовательная подготовка к этой профессии требует высшего образования, за которым следует медицинская школа со специализацией в области медицинской генетики. Медицинские генетики могут быть сертифицированы Американским советом по медицинской генетике и присоединиться к профессиональным организациям, занимающимся изучением митохондриальных заболеваний, таким как Общество митохондриальной медицины и Общество наследственных метаболических заболеваний.

Цикл лимонной кислоты — это серия химических реакций, которые удаляют высокоэнергетические электроны и используют их в цепи переноса электронов для генерации АТФ. Одна молекула АТФ (или эквивалент) производится за каждый виток цикла.

Цепь переноса электронов — это часть аэробного дыхания, в которой свободный кислород используется в качестве конечного акцептора электронов для электронов, удаляемых из промежуточных соединений при катаболизме глюкозы. Электроны проходят через серию химических реакций, при этом небольшое количество свободной энергии используется в трех точках для переноса ионов водорода через мембрану.Это способствует градиенту, используемому при хемиосмосе. Когда электроны проходят от NADH или FADH ₂ вниз по цепи переноса электронов, они теряют энергию. Продуктами цепи переноса электронов являются вода и АТФ. Ряд промежуточных соединений может быть вовлечен в анаболизм других биохимических молекул, таких как нуклеиновые кислоты, заменимые аминокислоты, сахара и липиды. Эти же молекулы, за исключением нуклеиновых кислот, могут служить источниками энергии для пути глюкозы.

Глоссарий

ацетил-КоА: комбинация ацетильной группы, полученной из пировиноградной кислоты, и кофермента А, который получен из пантотеновой кислоты (витамин группы B)

АТФ-синтаза: встроенный в мембрану белковый комплекс, который регенерирует АТФ из АДФ с помощью энергии протонов, диффундирующих через него

хемиосмос: движение ионов водорода вниз по их электрохимическому градиенту через мембрану через АТФ-синтазу с образованием АТФ

цикл лимонной кислоты: серия катализируемых ферментами химических реакций, имеющих центральное значение для всех живых клеток, которые собирают энергию углерод-углеродных связей молекул сахара для генерации АТФ; Цикл лимонной кислоты — это аэробный метаболический путь, потому что для его протекания в последующих реакциях требуется кислород

электронная транспортная цепь: серия из четырех больших, мультибелковых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, которая принимает электроны от донорных соединений и собирает энергию от ряда химических реакций для создания градиента ионов водорода через мембрану

окислительное фосфорилирование: производство АТФ путем переноса электронов вниз по цепи переноса электронов для создания протонного градиента, который используется АТФ-синтазой для добавления фосфатных групп к молекулам АДФ

генетических доказательств наличия АТФ-зависимой эндоплазматической ретикулума к аппарату Гольджи Церамида для синтеза сфингомиелина в клетках яичника китайского хомячка | Журнал клеточной биологии

Ранее мы выделили штамм LY-A, мутант клеток CHO, устойчивый к SM-направленному цитолизину, и показали, что клетки LY-A имеют только 30% -ный уровень содержания SM, но почти 100% -ный уровень содержания гликосфинголипидов по сравнению с с клетками дикого типа (Hanada et al., 1998). В этом исследовании мы попытались идентифицировать дефектную ступень, вызывающую фенотип клеток LY-A.

Эксперименты по метаболическому мечению с [ ¹⁴ C] серином, [ ³ H] сфингозином и [ ¹⁴ C] холином показали, что преобразование Cer в SM нарушено в клетках LY-A, но образование Cer и фосфатидилхолин, оба из которых являются непосредственными предшественниками образования SM, являются нормальными (рис. 1–3).Однако ферментные анализы в клеточных лизатах не показали различий в активности SM-синтазы, нейтральной сфингомиелиназы или кислой сфингомиелиназы между LY-A и клетками дикого типа. Хотя снижение синтеза SM вместе с накоплением Cer наблюдалось во время митотической фазы клеточного цикла (Yokoyama et al., 1997), LY-A и клетки дикого типа, выращенные в среде Nutridoma, демонстрировали практически идентичные паттерны фазового распределения клетки. цикл; 30–32% от общей популяции каждого типа клеток находились в фазе G1, 50–54% в фазе S и 15–17% в фазах G2 плюс M (данные не показаны).Эти эксперименты in vivo и in vitro показали, что дефект образования SM в клетках LY-A не был связан ни с изменениями ферментативной активности, ответственной за метаболизм SM, ни с вторичным влиянием фазы клеточного цикла на метаболизм липидов, что привело нас к возможность того, что клетки LY-A имеют дефект транслокации Cer из ER в компартмент Гольджи, где существует SM-синтаза.

Этот вывод подтверждают несколько линий доказательств.Во-первых, когда клетки обрабатывали брефельдином A, синтез SM в клетках LY-A был восстановлен до уровня дикого типа (рис. 5), что согласуется с ожиданием того, что в клетках, обработанных брефельдином A, Cer доступен для обычных клеток Гольджи. Аппаратно-локализованная SM-синтаза без процесса перемещения ER-to-Golgi. Во-вторых, импульсные эксперименты с C ₅ -DMB-Cer в интактных клетках продемонстрировали, что перераспределение внутриклеточной флуоресценции DMB от внутриклеточных мембран к аппарату Гольджи в клетках LY-A происходит значительно медленнее, чем в клетках дикого типа (рис.7), а также дефект превращения C ₅ -DMB-Cer в C ₅ -DMB-SM в интактных клетках LY-A (рис. 6 A). Кроме того, истощение АТФ в клетках дикого типа ингибировало превращение C ₅ -DMB-Cer в C ₅ -DMB-SM на 50%, а также подавляло перераспределение C ₅ -DMB-Cer в аппарат Гольджи. , тогда как истощение АТФ не влияло на поведение C ₅ -DMB-Cer в клетках LY-A (рис. 8, A – D и 9 A). Хотя преобразование C ₆ -NBD-Cer в метаболит SM может быть необходимо для улавливания флуоресценции NBD в аппарате Гольджи (Pütz and Schwarzmann, 1995), по крайней мере часть накопленной аппаратом Гольджи флуоресценции DMB у дикого типа По всей видимости, это связано с непревращенными клетками C ₅ -DMB-Cer, поскольку количество C ₅ -DMB-SM, образовавшееся в клетках LY-A после 30-минутной погони, было эквивалентно количеству C ₅ — DMB-SM образуется в клетках дикого типа после 15-минутной погони (рис.6 A), тогда как флуоресценция DMB в области Гольджи была намного более плотной в последних клетках, чем в первых (рис. 7, C и F). Напротив, внутриклеточное мечение с помощью C ₆ -NBD-Cer, который быстро переносится между мембранами, не выявило разницы в перераспределении Гольджи между LY-A и клетками дикого типа или между нормально культивируемыми и истощенными АТФ клетками (рис. 8, E – H). Таким образом, нарушение накопления по Гольджи C ₅ -DMB-Cer в клетках LY-A отражает дефект энергозависимого транспорта этого зонда от внутриклеточных мембран к аппарату Гольджи.Кроме того, были получены данные о том, что внутриклеточная флуоресценция DMB первоначально распределяется по внутриклеточным мембранам после предварительной маркировки C ₅ -DMB-Cer при 4 ° C (рис. 7, A и B; см. Также Pagano et al., 1991) и что > 50% площади поверхности внутриклеточных мембран приходится на мембрану ER (Griffiths et al., 1989), что указывает на то, что энергозависимое перераспределение флуоресценции DMB, скорее всего, представляет собой перенос C ₅ из ER-аппарата в аппарат Гольджи. -DMB-Cer.Важно отметить, что этот энергозависимый транспорт C ₅ -DMB-Cer имеет отношение к физиологическому перемещению природного Cer для синтеза SM, поскольку истощение АТФ в клетках дикого типа ингибирует образование [ ³ H] SM из метаболически меченых [^{] 3} H] Cer, тогда как на образование [ ³ H] SM в клетках LY-A не влияло истощение АТФ (фиг. 10). В совокупности мы заключаем, что LY-A клетки дефектны в АТФ-зависимом переносе Cer из ER в компартмент Гольджи, где существует SM-синтаза.

Дефект в ячейках LY-A, по-видимому, специфичен для транспорта Cer. Когда клеточные липиды метаболически метили [ ¹⁴ C] серином, скорости образования [ ¹⁴ C] фосфатидилсерина и [ ¹⁴ C] фосфатидилэтаноламина были идентичны между LY-A и клетками дикого типа (рис. 1) , указывая на то, что транспорт фосфатидилсерина из ЭПР в митохондрии происходит нормально в клетках LY-A. Метаболизм холестерина в клетках LY-A также считается нормальным, поскольку количество свободного холестерина в клетках LY-A является уровнем дикого типа (Hanada et al., 1998). Не было заметной разницы в скорости приобретения Endo H-устойчивости трансмембранного или GPI-заякоренного белка между LY-A и клетками дикого типа (рис.11), что указывает на то, что перенос белков из ER в аппарат Гольджи не является дефектным в ячейках LY-A. И клетки дикого типа, и клетки LY-A демонстрируют сходное предпочтительное распределение SM на плазматической мембране (данные не показаны), что позволяет предположить, что после того, как SM продуцируется в аппарате Гольджи, SM впоследствии сортируется на плазматическую мембрану в LY-A. клетки похожи на клетки дикого типа.

Наши данные о том, что в клетках CHO дикого типа истощение АТФ ингибирует превращение C ₅ -DMB-Cer в C ₅ -DMB-SM на 50% одновременно с ингибированием перераспределения внутриклеточной флуоресценции DMB в аппарат Гольджи (рис. . 8 и 9 A) предполагают, что ∼50% части переноса ER-to-Golgi C ₅ -DMB-Cer опосредуется через АТФ-зависимый путь и что еще 50% C ₅ — Перенос DMB-Cer опосредуется АТФ-независимыми (или менее АТФ-зависимыми) механизмами.Независимое от АТФ перераспределение C ₅ -DMB-Cer в аппарате Гольджи может быть, по крайней мере, частично связано с нефизиологическим спонтанным переносом C ₅ -DMB-Cer между мембранами из-за меньшей гидрофобности C ₅ — DMB-Cer, чем натуральный Cer. Для естественного Cer, АТФ-зависимые и -независимые (или менее зависимые от АТФ) механизмы трафика, по оценкам, ответственны за 70–80% и 20–30%, соответственно, вновь синтезированных SM, поскольку истощение АТФ вызвало 70–80%. % ингибирования образования SM, производного [ ³ H] сфингозина, без снижения образования [ ³ H] Cer (рис.10). Напротив, перераспределение внутриклеточного C ₆ -NBD-Cer в аппарате Гольджи или преобразование C ₆ -NBD-Cer в C ₆ -NBD-SM не было или только незначительно затронуто истощением АТФ. Различное поведение при торговле между C ₅ -DMB-Cer и C ₆ -NBD-Cer, скорее всего, отражает тот факт, что C ₆ -NBD-Cer имеет гораздо более высокую скорость спонтанного переноса между искусственными мембранами, чем C _{. 5} -DMB-Cer (Rosenwald and Pagano, 1993; Bai and Pagano, 1997), подразумевая, что C ₅ -DMB-Cer встраивается в мембраны более плотно и, таким образом, более точно имитирует натуральный Cer, по сравнению с C ₆ -NBD-Cer.

Окислительное фосфорилирование — CUSABIO

Что такое окислительное фосфорилирование?

Окислительное фосфорилирование, также известное как фосфорилирование, связанное с переносом электронов, относится к метаболическому пути, в котором энергия, выделяемая питательными веществами во время окисления, используется для выработки АТФ через электрическую транспортную цепь. И это важный процесс преобразования клеточной энергии и заключительный процесс клеточного дыхания у эукариот.

Окислительное фосфорилирование происходит во внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток или цитоплазме прокариот.

Окислительное фосфорилирование ＆ фосфорилирование на уровне субстрата

Когда дело доходит до окислительного фосфорилирования, мы должны говорить о его «хорошем партнере» — фосфорилировании на уровне субстрата.

Фосфорилирование на уровне субстрата — это метаболическая реакция, в которой богатое энергией фосфорилированное соединение, образующееся в результате сопряженной реакции, передает свою фосфатную группу АДФ для синтеза АТФ.Или GDP перезаряжается фосфатной группой, чтобы произвести GTP.

● Сходство между окислительным фосфорилированием и фосфорилированием на уровне субстрата

Основное сходство между окислительным фосфорилированием и фосфорилированием на уровне субстрата состоит в том, что оба они производят в конечном итоге АТФ.

● Различия между окислительным фосфорилированием и фосфорилированием на уровне субстрата

Самая большая разница между окислительным фосфорилированием и фосфорилированием на уровне субстрата — это источник энергии, необходимой для преобразования АДФ в АТФ.Фосфорилирование на уровне субстрата непосредственно фосфорилирует АДФ до АТФ, используя энергию сопряженной реакции. В то время как окислительное фосфорилирование включает две связанные реакции, которые, как считается, происходят одновременно. В период окислительного фосфорилирования энергия, производимая во время окислительной реакции, передается АДФ с образованием АТФ.

Функция окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование обеспечивает большую часть АТФ для живых организмов, а АТФ является основным источником энергии для поддержания жизнедеятельности.Окислительное фосфорилирование также включает образование активных форм кислорода (АФК) и регуляцию апоптоза.

Процесс окислительного фосфорилирования

Когда плотина гидроэлектростанции работает, она преобразует потенциальную энергию, выделяемую падающей водой, в кинетическую энергию, которая превращается в электрическую энергию. Подобно этапам выработки электричества на плотине гидроэлектростанции, АДФ производит АТФ с помощью процесса, называемого хемиосмосом, во время окислительного фосфорилирования.

У эукариот, когда происходит катаболизм, такой как гликолиз или цикл лимонной кислоты, вырабатывается НАДН, который представляет собой кофермент, содержащий очень высокий электрический потенциал передачи.Когда НАДН окисляется в митохондриальном матриксе, его электроны проходят через цепь переноса электронов (ETC) к рецептору электронов-кислороду и одновременно высвобождают энергию, которая прокачивает образующиеся ионы водорода через внутреннюю мембрану митохондрий. Он самопроизвольно формирует электрохимический градиент концентрации на внутренней митохондриальной мембране из-за более высокой концентрации ионов водорода в межмембранном пространстве и более низкой концентрации в матрице. Когда ионы водорода проходят через внутреннюю митохондриальную мембрану через электрохимический градиент, АТФ-синтаза захватывает протонодвижущую силу для производства АТФ.Этот процесс называется хемиосмосом.

Цепь переноса электронов — это серия белков, расположенных на внутренней мембране митохондрий.

● НАДН-кофермент Q оксидоредуктаза

Первым ферментом в цепи переноса электронов является оксидоредуктаза NADH-CoQ, также известная как дегидрогеназа NADH или комплекс I, которая является первым входом протонов через цепь переноса электронов. Он катализирует окисление НАДН через кофермент Q10. Когда два электрона проходят через комплекс I, четыре протона перекачиваются из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство.

● Янтарный кофермент Q оксидоредуктаза

Второй фермент, который позволяет протонам проходить через цепь переноса электронов, — это оксидоредуктаза янтарного кофермента Q, также известная как сукцинатдегидрогеназа или комплекс II. Он катализирует окисление янтарной кислоты с образованием фумарата и восстановление кофермента Q10 до убихинона (Qh3). Эта реакция не включает в себя передачу электронов и не откачивание протонов, обеспечивая меньшую энергию по сравнению с процессом окисления НАДН.Третьим входом в протон в цепи переноса электронов является флавин-коэнзим Q-оксидоредуктаза, переносящая электрон, также известная как флавиндегидрогеназа с переносом электронов, которая снижает Q10 за счет использования электронов флавина, переносящего электрон, в матриксе митохондрий.

● Коэнзим Q-цитохром C Редуктаза

Кофермент Q-цитохром С редуктаза, также известный как комплекс III, катализирует окисление Qh3 и восстановление цитохрома с и ферритина. В этой реакции цитохром C переносит электрон.Коэнзим Q восстанавливается до Qh3 на одной стороне митохондриальной мембраны, тогда как Qh3 окисляется до кофермента Q10 на другой стороне, что приводит к переносу протонов на мембрану, что также способствует образованию протонных градиентов.

● Цитохром с оксидаза

Последним белковым комплексом в цепи переноса электронов является цитохром с оксидаза, также называемая комплексом IV. Он опосредует заключительную реакцию в цепи переноса электронов — перенос электронов к конечному электронному рецептору кислорода — кислород восстанавливается до воды — прокачивая протоны через мембрану.В конце этой реакции протоны, которые непосредственно откачиваются и расходуются на восстановление кислорода до воды, увеличивают протонный градиент.

Наконец, протонодвижущая сила, генерируемая градиентом концентрации протонов, заставляет АТФ-синтазу фосфорилировать АДФ с образованием АТФ.

У эукариот есть еще одна электронодонорная молекула — FADh3. FADh3 также является промежуточным метаболитом на более ранней стадии клеточного дыхания, такой как гликолиз или цикл лимонной кислоты.В электрической транспортной цепи FADh3, FADh3 обходит комплекс I и входит в электрическую транспортную цепь с помощью комплекса II, поскольку он содержит меньший электрический потенциал, чем NADH. В реакции FADh3 окисляется до FAD, а кофермент Q восстанавливается до Qh3. И эта реакция тоже не выкачивает протоны. Последующие реакции почти такие же, как и в цепи переноса электронов NADh3.

Прокариоты, такие как бактерии и археи, имеют много ферментов переноса электронов, которые могут использовать очень широкий спектр химических веществ в качестве субстратов.Как и в случае с эукариотами, транспорт электронов в прокариотических клетках также использует энергию, выделяемую при окислении из субстрата, для перекачки протонов через мембрану для создания электрохимического градиента, который заставляет АТФ-синтазу генерировать АТФ. Разница в том, что бактерии и археи используют множество различных субстратов в качестве доноров электронов или рецепторов электронов. Это также помогает прокариотам выживать и расти в разных средах.

Факторы, влияющие на окислительное фосфорилирование

● Ингибиторы

В нормальных условиях перенос электронов и фосфорилирование тесно связаны.Некоторые соединения могут влиять на транспорт электронов или мешать реакциям фосфорилирования, все из которых вызывают аномалии окислительного фосфорилирования. Здесь представлены четыре фактора, влияющие на окислительное фосфорилирование.

Ингибитор дыхательной цепи: Вещество, которое блокирует перенос электронов в определенной части дыхательной цепи и ингибирует процесс окисления. Некоторые ингибиторы дыхательной цепи связываются с железосерными белками в НАДН-Q редуктазе и блокируют передачу электронов от НАДН к CoQ, например ротенон, феноксимицин А и барбитал, ампициллин.Некоторые вещества ингибируют перенос электронов между Cytb и Cytc1, например, антимицин А и димеркаптопропанол. Цианид, азид, h3S и C0 ингибируют цитохромоксидазу, делая электроны неспособными переходить к кислороду.

Ингибиторы окислительного фосфорилирования: Эти реагенты непосредственно препятствуют образованию АТФ, а также предотвращают перенос электронов. Комбинация олигомицина и дициклогексилкарбонилдиимида с единицей F0 АТФ-синтазы предотвращает обратный поток ионов водорода из протонного канала, делая процесс фосфорилирования незавершенным, тем самым блокируя окислительное фосфорилирование интактных митохондрий.

Разобщающий агент: Разобщающий агент разделяет два процесса связывания: перенос электронов и синтез АТФ. Такие соединения только ингибируют образование АТФ, но не влияют на процесс переноса электронов. Таким образом, свободная энергия, генерируемая переносом электронов, преобразуется в тепловую энергию, которая чрезмерно использует кислород и топливные субстраты. Такие агенты заставляют перенос электронов терять нормальный контроль, что приводит к чрезмерному использованию кислорода и топливных субстратов, и энергия не сохраняется.Типичный разобщитель — 2,4-динитрофенол (DNP). Поскольку ДНФ является жирорастворимым веществом, он может свободно перемещаться по митохондриальной мембране. Когда он попадает в матрицу, он может выделять H +. Вернитесь на сторону цитозоля. H + можно комбинировать для устранения трансмембранного градиента H +, так что энергия, выделяемая в процессе окисления, не может использоваться для реакции синтеза АТФ, а называется переносчиком протона.

● Постановление ADP

Скорость окислительного фосфорилирования у нормальных организмов в основном регулируется АДФ.Когда организм использует увеличение АТФ, концентрация АДФ увеличивается и скорость окислительного фосфорилирования увеличивается после переноса в митохондрии; в противном случае дефицит АДФ вызывает замедление скорости окислительного фосфорилирования. Эта регуляция позволяет скорости производства АТФ адаптироваться к физиологическим потребностям.

● Гормон щитовидной железы

Гормон щитовидной железы может активировать Na + -K + АТФазу на клеточной мембране многих тканей, ускорять разложение АТФ на АДФ и Pi и увеличивать количество АДФ в митохондриях, тем самым уменьшая соотношение АТФ / АДФ и ускоряя скорость окислительного фосфорилирования. .По мере увеличения скорости синтеза и разложения АТФ увеличивается потребление организмом кислорода и выработка тепла, увеличивается базальная скорость метаболизма, а базальная скорость метаболизма является одним из наиболее важных клинических показаний для пациентов с гипертиреозом.

● Мутация митохондриальной ДНК

Из-за своей голой кольцевой двойной спиральной структуры и отсутствия защиты белков и системы восстановления повреждений митохондриальной ДНК (мтДНК) он подвержен мутации путем окислительного фосфорилирования.мтДНК кодирует 13 белков, участвующих в окислительном фосфорилировании. Следовательно, мутации мтДНК могут влиять на процесс окислительного фосфорилирования, что приводит к снижению выхода АТФ и, таким образом, приводит ко многим родственным заболеваниям.

Болезни и аномальное окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование играет в организме множественную роль. Итак, если это ненормально, это вызовет болезни.

Многие митохондриальные заболевания связаны с нарушением окислительного фосфорилирования.