В сложном окислительно-восстановительном процессе дыхания при полном окислении веществ в организме освобождается химическая энергия, из которой 35-60% превращается в так называемую энергию макроэргических связей аденозиитрифосфата (АТФ). Она фиксируется в пирофосфатных связях АТФ, энергия которых равна 33-42 кДж и обозначается в формулах знаком ~(тильда), тогда как обычная пирофосфатная связь имеет лишь около 13 кДж на один моль.
Образование макроэргических связей в процессе окислительного фосфорилирования осуществляется в митохондриях по схеме: $$\ce{AH_2 + X + B -> A_{окисл}\sim X + BH_2};$$ $$\ce{A_{окисл}\sim X + P_{неорг} -> P\sim X + A_{окисл}};$$ $$\ce{P\sim X +АДФ -> X + АТФ}.$$
Вещество АН2 окисляется, а вещество В восстанавливается. Соединение X в реакциях является переносчиком энергии при транспорте электрона. За счет энергии окисления вещество А образует с соединением X макроэргическую связь. Затем вещество Аокисл~Х фосфорилируется, и образуется соединение Р~Х, которое является фосфоферментом с макроэргической фосфатной связью, реагирует с АДФ, переносит свой фосфат с макроэргической связью на АДФ, и образуется АТФ.
Известно много биохимических синтезов, при которых используется накопленная в аденозинтрифосфате энергия, например реакции синтеза эфиров глюкозы, образования сахарозы и гликогена из глюкозо-1-фосфата, синтез гиппуровой кислоты, глутатиона, глутамина, аргинина, пировиноградной кислоты, щавелевоуксусной, ацетоновой, масляной, лимонной кислот и многих других соединений, образующихся в процессе обмена веществ. Эти синтезы осуществляются через ряд реакций. Процесс начинается с переноса макроэргических фосфатных связей АТФ на вещество, которое реагирует с участием ферментов переноса — фераз, например: $$\large \ce{\text{глюкоза + АТФ} <=>[гексокиназа]\: \text{глюкозо-6-фосфат + АДФ}};$$ $$\large \ce{\text{глюкозо-6-фосфат + АТФ} <=>[гексокиназа]\: \text{глюкозо-1,6-дифосфат + АДФ}}.$$
Процесс фосфорилирования пировиноградной кислоты также может происходить под влиянием фосфоферазы по уравнению: $$\large \ce{\text{пировиноградная кислота + АТФ} <=>[фосфофераза]\: \text{фосфопировиноградная кислота + АДФ}}$$
В биологическом окислении большая роль принадлежит фосфатам и ферментам фосфатазе и фосфорилазе. Фосфорная кислота фосфатов с помощью фермента фосфатазы отщепляется от сложных эфиров фосфорной кислоты, и этим обеспечивается ее дальнейшее использование в различных биохимических процессах. Фосфатазы, как известно, бывают кислые и щелочные. При участии фосфорной кислоты и фермента фосфорилазы осуществляется обратимый процесс расщепления гликозидных связей некоторых биологически важных соединений — крахмала, гликогена, сахарозы, нуклеозидов. Фосфорилаза способствует образованию фосфорнокислых эфиров в растительных организмах. Таким образом, фосфорилирование имеет исключительно важное значение в биологическом окислении веществ.
Другим носителем макроэргических связей, аккумулятором энергии является коэнзим А (кофермент А, КоА) — производное аденина, пантотеновой кислоты — витамина, аминокислоты тиоэтаноламина и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных между собой:
КоА — биокатализатор, с участием которого активизируются образование в организме уксусной кислоты, синтез лимонной кислоты, жирных кислот и стеролов. Установлено, что каталитическая активность КоА определяется конечной SH-группой тиоэтаноламина, к которой присоединяется ацетильная группа с образованием ацетил-КоА. С участием КоА в клетке происходят синтезы, связанные с удлинением углеродных цепочек. В этой реакции участвует и АТФ. Сами АТФ и КоА образуются в растительной клетке в процессе окислительного фосфорилирования.
Механизм окисления имеет две важные особенности, а именно:
- а) освобождение энергии происходит при переносе атомов водорода (электронов*) на кислород;
- б) энергия, освобождающаяся при дыхании, используется постепенно. Каждая пара атомов водорода после отщепления передается через ряд переносчиков, образующих дыхательную цепь, по которой, как по ступенькам, спускаются атомы водорода, отдавая постепенно свою потенциальную окислительно-восстановительную энергию от окисляемого вещества кислороду. Атомы водорода,образующиеся в дыхательной цепи, восстанавливают первый переносчик, он передает водород второму переносчику, второй — третьему и т. д., пока водород не достигнет кислорода.
* Атом водорода диссоциирует на протон Н+ и электрон е- : H ⇄ H++e-.
Первым переносчиком дыхательной цепи является никотинамидадениндинуклеотид (НАД); вторым — флавиновые ферменты, имеющие белок, соединенный с динуклеотидом особого строения — флавином; третьим — цитохромы, которые и завершают перенос электронов непосредственно на кислород. При переносе водорода из цикла трикарбоновых кислот через НАД на кислород в трех точках дыхательной цепи, где отмечается наибольший перепад энергии, окисление сопряжено с фосфорилированием. За счет энергии, освобождающейся при переносе атомов водорода или электронов, из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Прохождение пары атомов водорода (или электронов) по цепи сопровождается синтезом АТФ:
Таким образом, АТФ является аккумулятором и трансформатором энергии в растительном организме.
Подведем энергетический баланс процесса дыхания. При анаэробном распаде гексозы до пировиноградной кислоты образуются четыре молекулы АТФ, из которых две молекулы расходуются на превращение глюкозы во фруктозо-1,6-дифосфат. Кроме того, получаются две молекулы НАДФН2, при окислении которых синтезируется шесть молекул АТФ. Вся энергия, освобождающаяся в процессе анаэробного распада гексозы до пировиноградной кислоты, аккумулируется в восьми молекулах АТФ.
В цикле ди- и трикарбоновых кислот образуются молекулы восстановленных нуклеотидов: три молекулы НАДН2, одна молекула НАДФН2, одна молекула ФАДН2 (ФАД — флавинадениндинуклеотид) и одна молекула АТФ при окислении α-кетоглутаровой кислоты до янтарной. Четыре молекулы первых двух соединений при окислении дают 4 ⋅ 3=12 молекул АТФ, одна молекула ФАДН2 — две молекулы АТФ.
Следовательно, при аэробном окислении одной молекулы СН3СОСООН образуется 12+2+1=15 молекул АТФ, а окисление двух молекул пировиноградной кислоты дает 30 молекул АТФ. Всего в анаэробных и аэробных реакциях распада глюкозы синтезируется 30+8=38 молекул АТФ. Молекула гексозы имеет запас энергии 2868 кДж, а при окислении одного моля глюкозы в организмах используется лишь 38 молекул АТФ×42 кДж=1596 кДж. Остальная энергия (2868—1596=1272 кДж) высвобождается клетками в виде тепла, повышая температуру внутри интенсивно дышащих органов, что, в свою очередь, способствует увеличению скорости биохимических реакций.
Энергия, освобождающаяся при дыхании, используется растением для разнообразных процессов жизнедеятельности (поглощение солей, поддержание на необходимом энергетическом уровне протоплазменных структур, синтез сложных органических соединений и др.).
Использование энергии любого экзергонического превращения для обеспечения эндергонических реакций возможно только в том случае, если между ними существует зависимость. Экспериментально было доказано, что выделяемая в процессах окисления энергия используется при синтезе органических веществ. Роль дыхания как источника энергии для жизненных процессов заключается в том, что эндергонические реакции связаны с окислительными. В окислительно-восстановительных реакциях, лежащих в основе дыхания, существенную роль играют соединения, способные связывать фосфорную кислоту и в процессе фосфорилирования конденсировать в фосфорных связях энергию, которая освобождается во время дыхания.
Наиболее типичным примером таких соединений, богатых энергией, является аденозинтрифосфорная кислота. Ее фосфатные группы с содержащейся в них энергией передаются на другие соединения, и таким образом используется энергия дыхания:
Аденозинтрифосфорная кислота может передать один или два фосфатных остатка различным соединениям, способным присоединить фосфорную кислоту и превращаться при этом соответственно в аденозиндифосфат или аденозинмонофосфат, которые, в свою очередь, способны присоединять минеральную фосфорную кислоту, превращаясь соответственно в аденозинтрифосфат и аденозиндифосфат. Энергия в молекуле АТФ используется на различные жизненные потребности клетки, в частности при синтезе фосфорных эфиров глюкозы, которые играют важную роль в процессах синтеза полисахаридов и др.
В опытах с тканями животных удалось установить, что на одну молекулу поглощенного кислорода образуется 4-7 связей с фосфатными остатками, богатыми энергией. По балансовому уравнению дыхания поглощение 1 моля кислорода соответствует освобождению энергии в количестве 468 кДж/моль, а энергия образующихся фосфатных связей составляет 42 кДж/моль на одну связь. Следовательно, при образовании 4-7 фосфатных связей на одну молекулу поглощенного кислорода используется \(\frac{42\, (\text{от до}\, 7 )100}{468} = 35-60 %\) энергии дыхания. Таким образом, следует признать сопряженные реакции oкисления и фосфорилирования в качестве процессов, аккумулирующих энергию дыхания для биосинтезов.
Следовательно, аденозинтрифосфорная кислота является источником энергии при различных превращениях в животных и растительных организмах. При использовании ее на 1 моль отщепленной фосфорной кислоты освобождаются те же 42 кДж, которые расходуются на образование Р — О~Р связи.
Было установлено, что динитрофенол (ДНФ) и другие вещества угнетают окислительное фосфорилирование* без снижения интенсивности дыхания, которая даже повышается. Стимулирующее действие ДНФ заключается в нарушении сопряженности реакций дыхания (окисления) и фосфорилирования. Объяснить это явление можно тем, что распад продуктов фосфорилирования под влиянием ДНФ приводит к постоянному освобождению фосфата и его акцептора, недостаток которых в окислительных системах снижает интенсивность окислительных процессов. Было также обнаружено, что под влиянием ядов (ДНФ) нарушается нормальная структура митохондрий.
*Интенсивность окислительного фосфорилирования характеризуется отношением количества фосфора к поглощенному кислороду при дыхании или к количеству пар электронов, перенесенных в процессе дыхания (Р:О).
Известны факты повышения интенсивности дыхания при неблагоприятных для синтетических процессов и роста условиях. Выяснено, что при завядании, охлаждении или перегреве в клетках растений наступает разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования, поскольку энергия дыхания передается другим реакциям обмена веществ. В результате этого дыхание оказывается как бы «холостым», т. е. не обеспечивает процессы жизнедеятельности необходимой энергией, которая рассеивается в виде тепла в окружающей среде. При недостатке калия в питании растений заметно повышается интенсивность дыхания с одновременной задержкой синтеза белка и роста растений. При старении листьев и созревании плодов также наблюдается значительное активизирование процесса дыхания и угнетение реакций фосфорилирования.