2) окислительное фосфорилирование (+)
3) цикл Кребса
4) бета-окисление жирных кислот
Окислительное фосфорилирование является основным способом синтеза АТФ в аэробных организмах, поскольку обеспечивает образование большей части клеточной энергии за счёт окисления восстановленных коферментов NADH и FADH2. Электроны передаются по дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий; энергия этого переноса используется для перекачивания протонов в межмембранное пространство. Возникающий электрохимический градиент протонов приводит в действие АТФ-синтазу, которая фосфорилирует АДФ с образованием АТФ.
Кислород при этом выступает конечным акцептором электронов и восстанавливается до воды. Цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, и β-окисление жирных кислот не являются основными непосредственными механизмами синтеза АТФ: они преимущественно образуют NADH, FADH2 и ацетил-КоА, которые обеспечивают последующую работу дыхательной цепи. Субстратное фосфорилирование даёт АТФ напрямую при переносе фосфатной группы на АДФ, но его энергетический вклад значительно меньше.
Нарушение окислительного фосфорилирования лежит в основе многих митохондриальных заболеваний. Наиболее уязвимы ткани с высоким уровнем энергопотребления — головной мозг, скелетные мышцы, миокард и сетчатка; возможны мышечная гипотония, судороги, энцефалопатия, кардиомиопатия и лактатацидоз. Биохимически для таких состояний характерны снижение продукции АТФ, нарушение соотношения NADH/NAD+ и вторичное усиление анаэробного гликолиза.
| Процесс | Основная локализация | Непосредственный результат | Роль в энергетическом обмене | Зависимость от кислорода |
|---|---|---|---|---|
| Окислительное фосфорилирование | Внутренняя мембрана митохондрий | Синтез АТФ за счёт протонного градиента и работы АТФ-синтазы | Главный источник АТФ при аэробном метаболизме | Прямая: кислород — конечный акцептор электронов |
| Субстратное фосфорилирование в гликолизе | Цитоплазма | Прямой перенос фосфатной группы на АДФ | Быстрое, но ограниченное образование АТФ | Не требует непосредственного присутствия кислорода |
| Субстратное фосфорилирование в цикле Кребса | Матрикс митохондрий | Образование одной молекулы ГТФ на оборот цикла | Незначительный прямой вклад в синтез АТФ | Функционально зависит от работы дыхательной цепи |
| Цикл Кребса | Матрикс митохондрий | Ацетил-КоА окисляется с образованием NADH и FADH2 | Поставляет восстановленные коферменты для окислительного фосфорилирования | Аэробный процесс по энергетической зависимости |
| β-окисление жирных кислот | Матрикс митохондрий | Образуются ацетил-КоА, NADH и FADH2 | Даёт значительное количество энергии косвенно, через дыхательную цепь | Требует функционирования аэробного дыхания |
| Анаэробный гликолиз | Цитоплазма | Глюкоза превращается в лактат с небольшим выходом АТФ | Поддерживает энергоснабжение при гипоксии или отсутствии митохондрий | Кислород не требуется |
Таким образом, окислительное фосфорилирование объединяет электронный транспорт и синтез АТФ посредством хемиосмотического механизма. Эффективность этого пути объясняет его ведущую роль в энергетике аэробных клеток. При блокаде дыхательной цепи резко уменьшается образование АТФ и нарастает зависимость от анаэробного гликолиза. В клинической генетике оценка лактата, пирувата, органических кислот и признаков тканевой энергетической недостаточности помогает заподозрить митохондриальную патологию.