Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
Нетрудно объяснить, почему перечисленные выше процессы поглощения кислорода не сопряжены с генерацией AjIH. Энергетическое сопряжение неизбежно усложнило бы выполнение деструктивных или конструктивных функций всеми этими фермент-
322 6. Регуляция, транспорт и стабилизация протонного потенциала
ными системами, которые имеют жизненно важное значение для организма.
Итак, мы рассмотрели четыре главные функции окислительных процессов: 1) запасание знергии, утилизируемой в форме AjIH, 2) рассеяние энергии в виде тепла, 3) образование полезных соединений и 4) расщепление вредных веществ. Можно было бы думать, что первая из перечисленных функций непосредственно обеспечивается сопряженным, а три другие — свободным дыханием. Однако такой взгляд слишком упрощает реальную ситуацию.
Сопряженное дыхание участвует в некоторых случаях в осуществлен™ функций 2—4. Так, мышечная дрожь при первом охлаждении животного в качестве механизма срочной теплопродукции требует образования AjIH, а затем и АТР, используемого актомиозином в качестве субстрата.
Ясно также, что большинство конструктивных процессов нуждается в энергии АТР, образуемого сопряженным дыханием. Что касается деструктивных реакций, то они, как правило, обходятся без АТР, хотя и здесь есть ряд важных исключений. Достаточно вспомнить цикл синтеза мочевины из аммиака, использующий энергию АТР.
На первый взгляд, свободное дыхание, по определению, не может участвовать в запасании энергии. Парадоксально, что есть случаи, когда это не так. Например, свободное окисление NADH цитозоля митохондриальным CoQ посредством а-глице рофосфатного «челнока» питает восстановительными эквивалент тами дыхательную цепь на уровне комплекса Ьсг. В результате первый генератор не участвует в запасании энергии. Однако часть энергии NADH удается превратить в AjIH за счет работы двух других AjIH-генераторов.
Альтернативная возможность состоит в том, что цитозольный NADH без всякого запасания энергии окислится, например, в эндоплазматическом ретикулуме посредством NADH-цитохром &5-редуктазы, цитохрома Ъь и цитохрома Р-450 (подробнее см. следующий раздел).
Надо помнить, что NADH—CoQ-редуктазный этап — обычно самый медленный во всей дыхательной цепи. В определенных условиях оказывается выгодным обойти этот сегмент, шунтировав его свободным переносом электронов, чтобы резко ускорить дыхание и получить выигрыш в скорости синтеза АТР, несмотря на снижение термодинамического КПД. Примечательно, что митохондрии летательной мышцы мухи, которая относится к самым быстрым сократительным элементам живой природы, содержат чрезвычайно активную «-г л и це р оф о сф а т д с г и д р о ге на з у. Эта система позволяет достичь максимальной скорости дыхательного синтеза АТР и окислить цитозольный NADH, образуемый при гликолизе. Наряду с зтим летательные мышцы насекомых имеют еще ряд особенностей, позволяющих им поддерживать очень
6.1. Регуляция АцН
323
высокую сократительную активность. Так, они содержат трахео-лы, проникающие в тельце митохондрии, чтобы поставлять газообразный кислород прямо к месту его потребления.
В 1962 г. нами было высказано предположение о том, что максимальная скорость синтеза АТР и предельная эффективность этого процесса не могут достигаться одновременно одной и той же системой и что наивысший темп образования АТР должен поддерживаться комбинацией сопряженного и свободного окисления [123]. В 1980 г. Стуки [1466, 1467] представил расчеты, основанные на принципах термодинамической оптимизации, согласующиеся с нашей концепцией. Есть данные, что митохондрии, выделенные из мышц и печени после мышечной работы большой интенсивности, оказываются в частично разобщенном состоянии [435, 859]. В печени было найдено, что разобщение опосредовано жирными кислотами [859].
Еще один биоэнергетически благоприятный эффект при комбинации сопряженного и свободного окисления может состоять в следующем. Равновесное соотношение [ATP]/[AUP]- [Р,] будет тем выше, чем больше энергии выделяется при той окислительной реакции, с которой сопряжен синтез АТР. Это значит, что, шунтировав свободным окислением один или два Д^Ш-генератора дыхательной цепи, мы в принципе можем сдвинуть указанное равновесие в сторону синтеза АТР, который образуется за счет протонного потенциала, поддерживаемого оставшимся AjIH-генератором.
Известно, что начальный участок сопряженной дыхательной цепи — не только самый медленный, но и наиболее уязвимый. Как уже отмечалось, широкий круг гидрофобных ксенобиотиков блокирует дыхание именно в этом пункте цепи [231, 1635]. Шунтировав заторможенное место цепи свободным окислением, мы можем вновь активировать дыхательный синтез АТР, хотя, конечно, н со сниженным КПД. Такой эффект должен быть особенно актуален для митохондрий в печени — органе, специализированном на аккумуляции гидрофобных ксенобиотиков с целью их последующего разрушения при помощи цитохрома Р-450.
Существенно, что торможение дыхательной цепи на уровне NADH—CoQ-редуктазы вызывает помимо ухудшения энергоснабжения еще какой-то неспецифический повреждающий' эффект в мит о х о ндр и а л ь ной мембране. Как было показано в нашей группе JI. С. Ягужинским и сотр. [1635], для повреждения требуются азробные условия и высокое отношение NADH/NAD+ (см. также [1487]).
