Физиологический показатель эффективности дыхания

Как следует из всего сказанного о работе электронтранспортной цепи, при поглощении одного атома кислорода могут синтезироваться 3—4 молекулы АТФ. Однако в живой клетке это невозможно, так как Н~ диффундирует сквозь наружную мембрану митохондрии в цитозоль, да еще работают альтернативные дегидрогеназы и цианид-устойчивое дыхание, снижающие выход АТФ. В результате при поглощении одного атома кислорода и при переносе электронов от НАДН или НАДФН на кислород с образованием молекулы воды эта величина равняется 2,5, а при переносе электронов от сукцината непосредственно на убихинон — 1,6.

Количество образуемых АТФ определяется степенью сопряжения окисления и фосфорилирования. Любые факторы, увеличивающие проницаемость мембран для протонов или нарушающие транспорт электронов, приводят к уменьшению или прекращению образования АТФ. В качестве показателя, характеризующего количество образовавшихся молекул АТФ, а следовательно, и степень сопряжения окисления и фосфорилирования, используют отношение P/О, где Р — число молей неорганического фосфата, использованного для фосфорилирования АДФ; О — количество поглощенного кислорода.

Для образования макроэргической фосфатной связи каждой молекулы АТФ при ее синтезе из АДФ и неорганического фосфата нужно затратить 7,3 ккал на моль (30,6 кДж).

Зная, сколько молекул АТФ образовалось, можем рассчитать количество энергии, запасенной в макроэргических связях. Чем больше энергии запасается в клетке, тем лучше она будет работать, поэтому показатель Р/О называют физиологическим показателем эффективности дыхания.

Если сопряжение транспорта электронов и фосфорилирования нарушается (процессы разобщаются), то больше энергии рассеивается в виде тепла.

В состоянии разобщения дыхательный субстрат продолжает распадаться, клетка выделяет С0₂, поглощает кислород, образуется вода, транспорт электронов идет, но АТФ не синтезируется, Р/О = 0. В результате вся энергия рассеивается в виде тепла. Отношение P/О меньше трех указывает на частичное разобщение транспорта электронов с фосфорилированием.

Существуют вещества, разобщающие транспорт электронов и образование АТФ, они называются разобщителями, или дыхательными ядами. Как правило, разобщителями являются небольшие гидрофобные молекулы, например динитрофенол, некоторые антибиотики (валиномицин, грамицидин), которые с помощью диффузии входят в липидную часть мембраны и работают как переносчики протонов. С их помощью протоны, попавшие в результате работы дыхательной цепи в межмембранное пространство митохондрии, возвращаются в матрикс органеллы, минуя АТФазу. Поэтому градиент электрохимического потенциала на мембране не возникает, и АТФ не синтезируется, хотя сам транспорт электронов идет с максимальной скоростью. Величина P/О снижается до нуля.

Альтернативное дыхание тоже можно рассматривать как разобщение транспорта электронов и синтеза АТФ. Быстрый сброс электронов с убихинона на альтернативную оксидазу ускоряет транспорт электронов и позволяет уменьшить синтез АТФ.

Значение разобщения заключается, во-первых, в том, что энергия рассеивается в виде тепла, что позволяет увеличить температуру тканей, например у горных растений в условиях пониженных ночных температур или у подснежников ранней весной (см. подпараграф 5.2.1). Во-вторых, иногда необходимо быстрое окисление избытка НАДН, чтобы снизить опасность образования АФК.

Разобщение окисления и фосфорилирования может быть вызвано внешними факторами. Например, увеличение температуры до 45 °C практически не влияет на величину P/О, но при 46—47°С величина P/О быстро падает до нуля. Причиной нарушения синтеза АТФ является разрушение крист при температурах выше 45 °C.

Величина показателя P/О снижается как при обезвоживании, так и при набухании митохондрий. В целом при любых воздействиях, нарушающих внутреннюю мембрану митохондрий, расположение компонентов дыхательной цепи или расстояния между ними, показатель P/О уменьшается. Его величина увеличивается под влиянием гормонов, например ауксина, так как в молодых тканях окисление и фосфорилирование сопряжены лучше, чем в старых.