Параграф 23 Синтез АТФ субстратное и окислительное

Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив не зубрить.

Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5

Параграф 23:
Синтез АТФ - субстратное и окислительное фосфорилирование.

см. также 22, 20 и 21, 25.

Сокращения:
СФ – субстратное фосфорилирование,
ОФ – окислительное фосфорилирование,
ММП – межмембранное пространство митохондрий.
~ – макроэргическая связь.

Содержание параграфа.
23. 1. Для чего нужен синтез АТФ клеткам.
23. 2. Фосфорилирование АДФ – синтез АТФ.
23.3. Чем отличаются СФ и ОФ.
23.4. Источники энергии для ОФ – прямой и непрямой.
23.5. Субстратное фосфорилирование.
23.5.1. Механизм СФ на примере с сукциниломКоА их ЦТК.
23.5.2. Механизм СФ на 2-х примерах реакций гликолиза.
23.6. М е х а н и з м  О Ф .
23.6.1. О транспорте протонов из матрикса
23.6.2. О транспорте протонов в матрикс
23.7. На что тратится энергия, кроме синтеза АТФ.
23.8. Градиент протонов – форма конвертируемой энергии.
23.8.1. Как создать ЭХП протонов.
23.8.2. Два компонента ЭХП протонов.
23.9. Сопряжение и разобщение
окисления и фосфорилирования
(окислительного фосфорилирования).
23.10. Разобщение ОФ.
23.11. С р а в н е н и е  блокаторов и разобщителей.
23.12. Действие ЙТ на работу ДЦ и на разобщение (п.104) –

Главное.
СФ и ОФ – это способы синтеза АТФ.

23.1. Для чего нужен синтез АТФ клеткам.

При использовании АТФ в качестве источника энергии
АТФ превращается в АДФ и фосфат (Н3РО4).

(Иногда просто в АДФ – см. киназные реакции;
даже если АТФ расщепляется на АМФ и дифосфат,
то далее АМФ превращается в АДФ
за счет получения фосфата от АТФ: АМФ + АТФ ; 2 АДФ).

Чтобы [АТФ] в клетке поддерживалась на необходимом уровне,
нужно постоянно превращать АДФ в АТФ.

Иначе все молекулы АТФ превратятся в АДФ,
а без АТФ клетка умирает (гипоэнергетический шок).

Примеры ситуаций, когда клетки и организм в целом
умирают от дефицита АТФ:

- смерть от отсутствия кислорода в воздухе,
- смерть от прекращения работы дыхательной системы,
- смерть из-за нарушения доставки кислорода в ткани при анемии,
- смерть при приеме цианистого калия и т.д..

Если бы в этих ситуациях клетки не теряли бы возможность синтезировать АТФ,
то эти ситуации не приводили бы к смерти.

23. 2. Фосфорилирование АДФ – синтез АТФ.

Для синтеза АТФ из АДФ
нужно к АДФ присоединить фосфат,
то есть фосфорилировать АДФ.

Поэтому в названии синтеза АТФ из АДФ есть слово «фосфорилирование».
Фосфорилированию могут подвергаться разные вещества,
но когда говорят о СФ или ОФ,
то имеют в виду только фосфорилирование АДФ,
то есть синтез АТФ.

Как синтезируется АДФ, здесь не разбирается.
См. вопрос о синтезе пуриновых нуклеотидов в п.72.
Нужны Р-5-Ф из ПФП и некоторые аминокислоты в качестве сырья для синтеза АДФ.

23.3. Чем отличаются СФ и ОФ.

СФ и ОФ отличаются по источникам энергии,

которая тратится на образование макроэргической связи
между присоединяемым фосфатом и АДФ.

При СФ источником энергии для фосфорилирования АДФ
является расщепление макроэргической связи другого вещества,

а при ОФ источником энергии для синтеза АТФ
является перенос электронов в дыхательной цепи.
Хоть и не напрямую, как будет показано далее.

Процесс назвали ОФ, потому что
при переносе электронов происходит окисление тех веществ,
от которых отщеплен электрон.

23.4. Источники энергии для ОФ – прямой и непрямой.

Непосредственным источником энергии для ОФ
является не перенос электронов,
а пассивный транспорт протонов через канал АТФ-синтАзы,
при котором тратится энергия ЭХП протонов – далее об этом подробнее.

Из-за того, что источником энергии для ОФ является ДЦ,
которая требует кислорода в качестве субстрата,
ОФ протекает только в присутствии кислорода
(то есть только в аэробных условиях).

Это значит, что в анаэробных условиях клетка не может получать энергию способом ОФ.
Поскольку СФ дает намного меньше АТФ, чем ОФ
(от одной молекулы глюкозы:
2 АТФ при СФ вместо 32 АТФ при СФ вместе с ОФ),
то в анаэробных условиях возникает острый дефицит АТФ (и угроза гибели)
в тех клетках, которые тратят много АТФ:
- в головном мозге,
- в коре почек,
- в миокарде и в других аэробных тканях.

Клетки анаэробных тканей могут существовать без ОФ
намного дольше, чем клетки аэробных тканей:
жгут на конечность допускается держать 1,5 часа,
но и они нуждаются в «подключении» ОФ
(за счет восстановления кровотока)
после того как просуществовали 1,5 часа в анаэробных условиях (со жгутом).

Только эритроциты могут существовать без ОФ,
хотя в них и много кислорода.
(в ЭЦ ОФ не происходит, т.к. нет митохондрий).

Тут надо добавить таблицу
«О т л и ч и я  способов  синтеза АТФ
(из АДФ и фосфата;
= присоединения фосфата к АДФ
= фосфорилирования АДФ)»
Но пока она в отдельном файле.

23.5. Субстратное фосфорилирование.

Вещество, расщепление макроэргической связи которого дает энергию для синтеза АТФ,
называется первичным макроэргом.

АТФ при СФ называется вторичным макроэргом.
Образование ~ первичного макроэрга происходит
за счет энергии, которая выделяется при окислении другого вещества,
которое называется субстратом СФ
(то есть не просто субстратом,
а именно субстратом для процесса СФ);
обычно первичный макроэрг образуется из субстрата СФ – см. далее примеры.

23.5.1. Механизм СФ на примере с сукциниломКоА из ЦТК.

В ЦТК кетоглутарат превращается в сукцинилКоА,
при этом происходит окислительное декарбоксилирование кетоглутарата.

При окислении кетоглутарата выделяется энергия,
за счет которой образуется макроэргическая связь
между сукцинилом и коферментом А (КоА).

При расщеплении МС сукцинилаКоА выделяется энергия,
за счет которой образуется ~ между ГДФ и фосфатом,
в результате чего образуется ГТФ.

ГДФ и ГТФ – это вещества, аналогичные АДФ и АТФ,
и синтез ГТФ происходит путем фосфорилирования ГДФ
(в данном случае – способом СФ).

Затем ГТФ вступает в реакцию с АДФ
и отдает ему фосфат,
в результате чего АДФ превращается в АТФ, а ГТФ – в ГДФ.

23.5.2. Механизм СФ на 2-х примерах реакций гликолиза.
См. реакции и формулы в п.32.
1-й пример СФ из гликолиза.

В одной из реакций гликолиза
ФГА превращается в 1,3-бис/фосфо/глицерат,
при этом происходит окисление ФГА
и присоединение фосфата макроэргической связью.

При окислении ФГА
(точнее, промежуточного метаболита, связанного с ферментом)
выделяется энергия,
за счет которой образуется ~
с присоединяемым по 1-му положению фосфатом.

При расщеплении ~ 1,3-бис/фосфо/глицерата
выделяется энергия,
за счет которой образуется ~
между АДФ и фосфатом
(переносимым от 1,3-бис/фосфо/глицерата),
в результате чего образуется АТФ (вторичный макроэрг).

1-й пример СФ из гликолиза.

В другой реакции гликолиза
2-ФГ превращается в фосфо/енол/пируват (ФЕП),
при этом происходит отщепление воды,
а связь с фосфатом становится макроэргической.

При расщеплении ~ фосфо/енол/пирувата
выделяется энергия,
за счет которой образуется ~
между АДФ и фосфатом (переносимым от ФЕПа),
в результате чего образуется АТФ.

Между СФ в ЦТК и СФ в гликолизе есть важное отличие:

СФ в ЦТК, как и весь ЦТК,
не происходит в отсутствие кислорода и вне митохондрий

(то есть в анаэробных условиях;
МХ нет в ЭЦ;
ЦТК не работает в анаэробных условиях,
потому что должен превращать НАД+ в НАДН для ДЦ,
но без кислорода ДЦ не работает,
не потребляет НАДН и не превращает НАДН в НАД+).

А СФ в гликолизе может происходить в отсутствие кислорода
и без митохондрий.
Поэтому СФ в гликолизе –
единственный источник АТФ для клеток,
когда в них нет кислорода :
при ишемии, гипоксии,
из-за жгута, спазма, низкого артериального давления и т.д..
Или если в клетках нет митохондрий, как в эритроцитах.

Тут надо добавить таблицу
«П р и м е р ы  субстратного фосфорилирования.»
Но пока она в отдельном файле.

23.6. М е х а н и з м  О Ф .

Уже говорилось, что при ОФ
АТФ синтезируется за счет энергии дыхательной цепи.

Поэтому говорят, что работа ДЦ сопряжена (связана) с синтезом АТФ
(с фосфорилированием АДФ).

Существует теория, которая описывает механизм ОФ
(то есть механизм сопряжения окисления в ДЦ и фосфорилирования АДФ).
Автор теории – Митчелл.
Названия теории ОФ – хемоосмотическая, протондвижущая.

Согласно теории Митчелла (ТМ),
энергия, выделяющаяся при переносе электронов по ДЦ,
не сразу тратится на синтез АТФ.

Сначала энергия ДЦ тратится на транспорт протонов (Н+)
из матрикса МХ в межмембранное пространство
через внутреннюю мембрану МХ
(против градиента протонов).

Затем протоны возвращаются в матрикс МХ
через канал фермента АТФ-синтазы,
и АТФ-синтаза синтезирует АТФ
за счет энергии, которая выделяется при транспорте протонов
(т.к. транспорт протонов в матрикс  происходит по градиенту протонов,
пассивный, энергия не тратится, а выделяется).

Транспорт протонов через мембрану происходит с помощью белков-транспортеров. (Потому что липидный слой мембраны не проницаем для ионов.)

23.6.1. О транспорте протонов из матрикса

(в межмембранное пространство,
через внутреннюю мембрану МХ
с внутренней стороны внутренней мембраны
на внешнюю сторону внутренней мембраны;

но из митохондрий протоны при этом не выходят,
они оказываются между внутренней мембраной и внешней мембраной,
то есть в межмембранном пространстве,
ближе к внутренней мембране, «на» ее внешней стороне).

Предполагается, что транспорт протонов из матрикса
осуществляется с участием белков ДЦ и кофермента Q.

При транспорте протонов из матрикса
происходит их накопление в ММП,
с внешней стороны мембраны оказывается больше протонов,
чем с внутренней стороны мембраны,

то есть возникает разница концентраций протонов
(градиент протонов)
с разных сторон мембраны.

Транспорт протонов из матрикса
происходит из области меньшей [Н+] в область большей [Н+],
то есть против градиента протонов
(«оттуда, где протонов меньше,
туда, где протонов больше»).

Транспорт частиц против градиента
требует затрат энергии
(и поэтому называется активным).

Источником энергии для транспорта протонов из матрикса
является энергия, выделяющаяся при работе дыхательной цепи
(то есть при переносе электронов по ДЦ).

23.6.2. О транспорте протонов в матрикс.

(из межмембранного пространства,
через внутреннюю мембрану МХ
с внешней стороны внутренней мембраны
на внутреннюю сторону внутренней мембраны;
протоны оказываются в матриксе ближе к внутренней мембране,
«на» ее внутренней стороне).

Транспорт протонов в матрикс
происходит, в основном (о других вариантах позже)
через канал АТФ-синтазы.

При транспорте протонов в матрикс
[Н+] в матриксе увеличивается,
а в ММП [Н+] уменьшается,
в результате чего снижается разница концентраций протонов
с разных сторон мембраны.

Транспорт протонов в матрикс
происходит из области большей [Н+] в ММП
в область меньшей [Н+] в матриксе,
то есть по градиенту протонов
(«оттуда, где протонов больше, туда, где протонов меньше»).

Транспорт частиц по градиенту
НЕ требует затрат энергии
(и поэтому называется пассивным).

(Точнее, источником энергии является сам градиент, его снижение).

Более того, при транспорте частиц по градиенту
энергия выделяется
и может использоваться для совершения работы
(то есть процессов, требующих затрат энергии).

При транспорте протонов в матрикс энергия тоже выделяется.

Поскольку при транспорте протонов в матрикс
(то есть при возвращении протонов в матрикс)
протоны проходят через канал АТФ-синтазы,
то выделяющаяся энергия «достается» АТФ-синтазе.

АТФ-синтаза тратит энергию на синтез АТФ
(поэтому и называется АТФ-синтазой).

Как говорилось выше, способ синтеза АТФ при этом называется ОФ.
Работа, которая совершается за счет энергии,
выделяющейся при транспорте протонов в матрикс –
это синтез АТФ
(эта работа называется химической,
потому что заключается в обеспечении энергией химической реакции).

23.7. На что тратится энергия, кроме синтеза АТФ.

АТФ-синтаза использует на синтез АТФ
не 100% энергии, выделяющейся при транспорте протонов,
а около 40% энергии
(при разобщении ещё меньше – см. далее).

Остальная часть энергии (60%)
рассеивается в виде тепла
(это тепло называется первичным – см. далее)
и тратится на транспорты веществ через мембрану.
То есть на осмотическую работу.

23.8. Градиент протонов – форма конвертируемой энергии.
ЭХП протонов.

Поскольку пассивный транспорт протонов
может быть источником энергии для совершения работы,
то градиент протонов,
при наличии которого возможет пассивный транспорт протонов,
является формой конвертируемой энергии.

Эта форма энергии называется электро-химическим потенциалом (ЭХП) протонов
и обозначается ;µН+.

(Знак ; (дельта) означает, что есть разная концентрация;
µ означает, что это форма энергии).

Энергия, заключенная в ;µН+,
выделяется
и может быть использована при пассивном транспорте протонов,
то есть при транспорте протонов в область меньшей концентрации:

при этом разница концентраций протонов уменьшается
(градиент протонов уменьшается),
;µН+ уменьшается.

;µН+ возникает при появлении разных концентраций протонов
с разных сторонах внутренней мембраны митохондрий
(то есть при появлении градиента протонов).

И увеличивается при увеличении разницы [H+].

23.8.1. Как создать ЭХП протонов.

Для увеличения разницы [H+] (и создания ;µН+)
нужно транспортировать протоны
из области меньшей концентрации
в область большей концентрации
(то есть против градиента протонов),
то есть должен произойти активный транспорт протонов.

Для активного транспорта нужны затраты энергии.
Энергию для активного транспорта протонов
(и тем самым – для создания ;µН+) дает ДЦ.

23.8.2. Два компонента ЭХП протонов.

;µН+ называется ЭХП,
потому что в ;µН+ есть два компонента (и они отражены в названии): электрический и химический.

Электрический компонент ЭХП обусловлен тем, что
(при наличии на мембране градиента ионов)
с разных сторон мембраны
разные концентрации заряженных частиц
и в результате – разные заряды.

Электрический компонент ЭХП обозначается ;; («пси», ;;).
Поскольку при наличии ;µН+ протонов
(у которых есть положительный заряд)
больше на внешней стороне внутренней мембраны МХ,
чем на внутренней,
то внешняя сторона заряжена более положительно,
чем внутренняя
(а внутренняя – более отрицательно, чем внешняя).

Другое название электрического компонента ЭХП – мембранный потенциал.

Химический компонент ЭХП
обусловлен тем, что
(при наличии на мембране градиента ионов)
с разных сторон мембраны
есть разные концентрации химического вещества.

Химический компонент ЭХП обозначается ;; («фи»).
Поскольку протоны создают кислую среду
и протонов при наличии ;µН+ больше
на внешней стороне внутренней мембраны МХ
(чем на внутренней стороне),
то внешняя сторона имеет более кислую реакцию
(и меньший рН),
чем внутренняя сторона,
а внутренняя – более менее кислую реакцию,
чем внешняя сторона,
и больший рН.

Другое название химического компонента ЭХП –
концентрационный градиент.

Тут надо добавить таблицу
Но пока она в отдельном файле.
«Транспорт Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий из матрикса и обратно».
(К теории Митчелла).

Протоны создают кислую среду:
где больше протонов, там кислее среда и меньше рН.

Н+ имеет положительный заряд,
поэтому –  чем больше протонов на данной стороне мембраны,
тем более положительно заряжена эта сторона мембраны.

Н+ больше в ММП (при работе ДЦ),
то есть на внешней стороне внутренней мембраны
(со стороны ММП).

На внешней стороне внутренней мембраны
больше положительно заряженных частиц.
Внешняя сторона внутренней мембраны МХ заряжена более положительно.

23.9. Сопряжение и разобщение
окисления и фосфорилирования
(окислительного фосфорилирования).

(Имеется в виду – окисления в ДЦ и фосфорилирования АДФ).

Когда энергия ДЦ используется для синтеза АТФ,
то говорят, что процесс ДЦ и процесс синтеза АТФ сопряжены
(окисление и фосфорилирование сопряжены).

При этом способ синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием.

Сопряжение имеет место тогда,
когда Н+, транспортированные из матрикса в ММП
за счет энергии ДЦ,
возвращаются из ММП обратно в матрикс через АТФ-синтазу.

23.10. Разобщение ОФ.

Но если протоны возвращаются в матрикс
НЕ через АТФ-синтазу, а другим способом,
то энергия, выделяющаяся при транспорте протонов в матрикс,
не «достается» АТФ-синтазе,
и она не синтезируется АТФ.

Это явление называется разобщением ДЦ и синтеза АТФ
или разобщением окислительного фосфорилирования.

При разобщении энергия возвращения протонов в матрикс
просто рассеивается в виде тепла,
что приводит к увеличению температуры тела.

Причины разобщения ОФ:
к разобщению приводят различные факторы,
которые позволяют протонам не проходить через АТФ-синтазу.

Протоны могут не проходить через АТФ-синтазу
(одна из причин разобщения),
если есть вещества,
способные присоединять к себе протоны в ММП,
проходить с протонами через мембрану в матрикс,
а в матриксе «освобождать» протоны,
присоединенные к себе в ММП.

Пример – динитрофенол (применялся в промышлености)
и (возможно) иодтиронины.

Протоны могут не проходить через АТФ-синтазу,
если в мембране есть другой белок,
способный пропускать протоны
(протонный канал) –
примером такого белка является термогенин,
который есть в митохондриях бурой жировой ткани.

Разные факторы, которые приводят к разобщению
(являются причинами разобщения)
называются разобщителями.

Разобщителями являются жирные кислоты в буром жире
(способствуют работе термогенина),
некоторые микробные токсины
(дифтерийный).

Из всех названных разобщителей только жирные кислоты (в буром жире)
относят к физиологическим –
то есть разобщение ими не вредно для организма.
Остальные разобщители считаются патологическими. 
(Об ЙТ далее).

Тут надо добавить таблицу.
Но пока она в отдельном файле.
«Сравнение  сопряжения и разобщения ДЦ и синтеза АТФ
(путем окислительного фосфорилирования фосфорилирования)».

23.11. С р а в н е н и е  блокаторов и разобщителей.

Ещё раз про блокаторы ДЦ.
Нужно не путать действие блокаторов ДЦ и разобщителей ОФ.

Блокаторы прекращают работу ДЦ,
поэтому энергия ни запасается в виде АТФ (слабость),
ни рассеивается в виде тепла (озноб).
А разобщители не прекращают работу ДЦ
и даже (ЙТ) могут усиливать работу ДЦ.               
               
Тут надо добавить таблицу.
Но пока она в отдельном файле.
«С р а в н е н и е  блокаторов и разобщителей».

23.12. Действие ЙТ на  работу ДЦ и на разобщение (п.104) –

ЙТ активируют ДЦ
и при этом разобщают ОФ.

При небольшом избытке ЙТ (при начальном гипертиреозе)
соотношение эффектов активации ДЦ и разобщения ОФ таково,
что АТФ и тепла больше,
чем при нормальном количестве ЙТ
(это увеличивает энергичность и устойчивость к холоду).

Но при значительном избытке ЙТ  (при запущенном гипертиреозе)
разобщение настолько сильное,
что количество АТФ становится меньше,
чем в норме
(при том, что ДЦ активнее, чем в норме).

При снижении количества ЙТ (при гипотиреозе) ДЦ менее активна,
энергии дает меньше,
при этом снижается количество и АТФ, и тепла.

Тут надо добавить таблицу.
Но пока она в отдельном файле.
«Окислительное фосфорилирование при ; и ; функции ЩВЖ».

Тут надо добавить таблицу.
Но пока она в отдельном файле.
«Р а з о б щ е н и е  окисления и фосфорилирования»:
то есть окисления в ДЦ и фосфорилирования АДФ,
приводящего к синтезу АТФ способом ОФ.