Центральная роль в биоэнергетике клеток высших организмов принадлежит дыхательному обмену. В наиболее общем виде он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы (гликогена), жирных кислот (жиров), аминокислот (белков) и использование выделяемой при этом энергии для образования универсального высококалорийного клеточного «топлива» — АТФ. Энергия АТФ, непосредственно или будучи «зарезервированной» в других макроэргических химических соединениях (креатинфосфат мышечной ткани), преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание градиентов или перепадов концентрации веществ), электрическую (поддержание градиентов и движения зарядов), конструктивную (сборка микротрубочек из субъединиц тубулина), механическую (мышечное сокращение, внутриклеточное перемещение структур), регуляторную (рис. 2.4З).
Макроэргическим называют соединение, в химических связях которого содержится энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. Универсальным соединением такого рода служит АТФ. Высвобождение значительных количеств свободной энергии (около З0,5 кДж/моль на связь) происходит при гидролизе как третьей, так и второй концевых фосфатных групп молекулы АТФ. Это дает формальное основание обе фосфатные группы рассматривать как высокоэнергетические (макроэргические). В реальной биоэнергетике,
Рис. 2.43. Поток энергии в клетке
благодаря невозможности диффузии в клетку извне и, как следствие, необходимости постоянного внутриклеточного образования АТФ, самостоятельное значение имеет кругооборот, включающий гидролиз АТФ до АДФ (энергообеспечение проявлений жизнедеятельности) с оперативным ресинтезом АТФ из АДФ (аденозиндифосфорная кислота) и Pi (неорганический фосфат, пирофосфат). Таким образом, исключительная роль в энергообеспечении процессов жизнедеятельности отдана третьей фосфатной связи АТФ.
Особое место в дыхательном обмене принадлежит основному веществу (матриксу) цитоплазмы и митохондриям, что может быть проиллюстрировано на примере окисления глюкозы, которое в полном объеме состоит из трех этапов. Первый из них — анаэробный гликолиз — заключается в частичном расщеплении сахара и происходит в основном веществе цитоплазмы. Вследствие неполного окисления на этом этапе извлекается не более 10\% энергии, содержащейся в исходном «топливе». При достаточном притоке к клеткам кислорода конечные продукты первого этапа окисления глюкозы в виде аниона пировиноградной кислоты (пируват) и восстановленной формы нико-тинамидадениндинуклеотида (NADH) поступают в митохондрии, где
окисляются — первое до СО2 и H2О, а второе до NAD+ (аэробный гликолиз) с извлечением оставшейся энергии. В случае недостаточного притока кислорода, в частности, на фоне повышенных функциональных запросов (мышцы в начальной стадии реакции тревоги — частота сердечных сокращений еще не возросла в требуемой степени, а энергопотребности увеличены) NADH тут же в основном веществе цитоплазмы окисляется пируватом до NAD+, который необходим для поддержания первого (анаэробного) этапа гликолиза. Одновременно образуется анион молочной кислоты (лактат), который током крови переносится в печень, где используется для ресинтеза глюкозы (глю-конеогенез). Анаэробный гликолиз в связи с низким выходом АТФ на молекулу глюкозы является энергетически невыгодным. Однако у ряда организмов (дрожжи) ему принадлежит исключительное место. То же можно сказать и о некоторых типах клеток многоклеточных организмов, в частности эритроцитах, лишенных митохондрий. Возвращаясь к дрожжам, отметим, что в них в связи с неполным ее окислением накапливаются значительные запасы глюкозы. Последняя расщепляется с образованием спирта и углекислоты.
В клетках с полным окислением глюкозы образовавшийся на первом этапе пируват поступает в матрикс митохондрий. Здесь он подвергается окислительному (два электрона отдаются NAD+) декар-боксилированию (потеря карбоксильной группы) с переносом образовавшейся ацетильной группы на кофермент(коэнзим)А и в виде ацетил-кофермента(коэнзима)А (ацетил-СоА) включается в цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Креб-са), составляющий содержание второго (аэробного) этапа гликолиза. Ацетил-СоА занимает ключевое положение во многих метаболических превращениях. Главная его функция связана с переносом ациль-ных остатков (двууглеродная конструкция) от различных по природе химических соединений в форме тиоэфиров, представляющих собой макроэргические соединения, в частности в цикл лимонной кислоты. Не вдаваясь в детали, заметим, что в процессе превращений пирувата в цикле лимонной кислоты также извлекается и запасается в виде АТФ определенное количество энергии. Дальнейшее извлечение энергии происходит на третьем этапе аэробного гликолиза, структурно связанного с внутренней мембраной митохондрий. Он заключается в переносе электронов (окисление) с восстановленных форм никотинамидаде-ниндинуклеотида (NADH) и флавинадениндинуклеотида (FADH2), образующихся на первых двух этапах, на кислород с образованием воды.
Указанный перенос осуществляется благодаря наличию электронно-транспортной цепи. Выделяемая при этом порциями энергия фиксируется в третьей фосфатной связи молекул АТФ, синтез которых из АДФ и неорганического фосфата с участием фермента АТФ-синтазы (фосфо-рилирование) также приурочен к внутренней мембране митохондрий. Сопряженные вместе окисление и фосфорилирование в митохондриях обозначают термином окислительное фосфорилирование. Третий этап аэробного гликолиза дает клетке основное количество молекул АТФ на исходную молекулу глюкозы. Суммарная производительность аэробного гликолиза с учетом того, что некоторое количество АТФ используется на месте в ходе описанных превращений, выражается цифрой 30-32 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Эффективность рассмотренного механизма энергообеспечения можно оценить по коэффициенту полезного действия. Для митохондрий он составляет 45-60\%. Для сравнения: коэффициент полезного действия в современных двигателях внутреннего сгорания — 17\%, в паровой машине — 8\%.
Выход АТФ в митохондриях меняется с изменением проницаемости их внутренней мембраны для протонов. Максимальный выход АТФ соответствует ничтожной проницаемости, когда протоны буквально «вынуждены» проходить через фермент АТФ-синтазу. Описаны, однако, примеры, когда для решения специфических задач в названной мембране активно формируются протонные каналы. В такой ситуации процессы окисления, с одной стороны, и фосфорилирования АДФ до АТФ, с другой, разобщаются и АТФ не образуется. Вся выделяемая в этом случае энергия превращается в тепло. Описанный механизм работает, в частности, в клетках бурой жировой ткани (см. также 2.4.4.4.-д), чрезвычайно богатых митохондриями, в которых присутствует специальный белок терминоген. Функция последнего состоит в создании во внутренней мембране митохондрий протонных каналов, разобщении окислительного фосфорилирования и, как следствие, интенсификации теплопродукции. Образуемое таким образом тепло позволяет сохранять на требуемом уровне температуру тела новорожденных, отличающихся незрелостью механизмов теплопродукции и терморегуляции.
Обеспечение энергозатрат организма происходит за счет окисления не только глюкозы (гликогена), но также жирных кислот (жиров) и избыточного (относительно потребности в них белковых синтезов) количества аминокислот. Содержание второго и третьего этапов окисления жирных кислот и аминокислот совпадают с таковым для глюкозы: это превращения в цикле лимонной кислоты и окислительное
фосфорилирование. На первом этапе от молекул жирных кислот последовательно отщепляются по два углеродных атома, которые превращаются в ацетильную группу ацетил-СоА, поступающего в цикл лимонной кислоты. Аминокислоты на начальном этапе дезаминиру-ются (теряют аминогруппу), после чего их углеродные части используются для образования пирувата и/или ацетил-СоА, входящих далее в цикл лимонной кислоты.
Фосфорилирование той или иной макромолекулы, прежде всего белковой, заключающееся в переносе на нее фосфатных групп АТФ, обычно связывают с активацией функции, например каталитической. Известны примеры, когда фосфорилирование приводит к подавлению ферментативной активности. Так, фосфорилирование протеинкиназы Cdk2, участвующей в регуляции прохождения клеткой периодов G1 и S клеточного цикла, по остаткам аминокислоты треонина активирует фермент, а по остаткам аминокислоты тирозина угнетает.