146-147
Метаболизм. Энергетика
Регуляция энергетического обмена
Биохимический процесс усвоения пищи и
образования АТФ должны постоянно приспосабливаться к изменению энергетических
потребностей клеток. Необходимость согласования производства и потребления АТФ
следует уже из того факта, что суммарное содержание коферментов в
организме незначительно. Калорийность суточного рациона человека составляет
примерно 12000 кДж (см. с. 348). При к.п.д. 50% такая энергия достаточна для
образования 120 молей АТФ, т. е. примерно 65 кг. Однако в организме человека
содержится всего 3-4 г свободных адениновых нуклеотидов (АМФ, АДФ и АТФ).
Следовательно, каждая молекула АДФ должна ежедневно тысячекратно
фосфорилироваться в АТФ и вновь дефосфорилироваться.
А. Дыхательный
контроль
Простой механизм регуляции образования и потребления АТФ (АТР)
называется дыхательным контролем. Он основан на сопряжении упомянутых
процессов с общими коферментами и другими факторами (на схеме слева). Если клетка
не расходует АТФ, едва ли в митохондриях имеется АДФ. В отсутствие АДФ АТФ-синтаза
(3) не в состоянии использовать протонный градиент
на внутренней митохондриальной мембране. Это в свою очередь тормозит электронный
перенос вдыхательной цепи (2), вследствие чего
НАДН не может быть вновь окислен в НАД+. Возникающее в результате
высокое соотношение НАДН/НАД+ тормозит цитратный цикл (схема В)
и замедляет тем самым потребление субстрата АН2 (1).
И наоборот, высокие скорости потребления АТФ стимулируют усвоение пищи и дыхательную
цепь по тому же механизму.
Если создание протонного градиента (на
схеме справа) подавлено, процессы окисления субстрата (1) и переноса электронов
(2) протекают значительно быстрее, чем обычно. При этом вместо синтеза АТФ
выделяется тепло.
Б. Разобщающие агенты
Вещества, которые функционально разделяют между собой окисление
и фосфорилирование, называются разобщающими агентами. Они содействуют
переносу протонов из межмембранного пространства в матрикс без участия АТФ-синтазы.
Разобщение может возникать, например, в результате механического повреждения
внутренней мембраны (1) или действия таких
веществ, как 2,4-динитрофенол (2), являющихся
переносчиками протонов через мембрану. Природным разобщающим агентом является
термогенин (3), протонный канал (см. с.
216) в митохондриях бурых жировых клеток. Бурый
жир обнаружен у новорожденных и животных, впадающих в зимнюю спячку и служит
для теплообразования. При охлаждении организма норадреналин активирует гормонзависимую
липазу (см. с. 164). Благодаря интенсивному липолизу
в организме образуется большое количество свободных жирных кислот, которые распадаются
в результате β-окисления и в дыхательной цепи. Так как жирные кислоты одновременно
открывают протонный канал термогенина, их распад не зависит от наличия АДФ,
т. е. протекает с максимальной скоростью и генерирует энергию в форме тепла
(см. схему А).
В. Регуляция цитратного
цикла
Самым важным фактором регуляции цикла является отношение
НАДН/НАД+ (NADH/NAD+). НАДН наряду с пируватдегидрогеназой
(ПДГ) и оксоглутаратдегидрогеназой (ОГД, см. с. 136)
ингибирует также цитрат-синтазу и изоцитрат-дегидрогеназу. За исключением изоцитратдегидрогеназы
упомянутый ферменты также ингибируются конечным продуктом реакции ацетил-
и соответственно сукцинил-КоА или цитратом. Активность ферментов регулируется
также процессом взаимопревращения (см. с. 122).
На схеме эти процессы представлены на примере пируватдегидрогеназного комплекса
(см. выше). Инактивированная протеинкиназа [1а]
ингибируется субстратом (пируватом) и активируется продуктом реакции ацетил-КоА.
Соответствующая протеинфосфатаза [1б] активируется
ионами Ca2+, так же как изоцитратдегидрогеназа [3]
и оксоглутаратдегидрогеназный комплекс [4], что
особенно важно для процесса мышечного сокращения.