АТФ синтезируется за счет энергии градиента электрохимического потенциала.

В митохондриях дыхание не всегда сопряжено с фосфорилированием. Такой свободный от синтеза АТФ путь окисления субстратов тканевого дыхания называется нефосфорилирующим (свободным) окислением, а сам процесс называется разобщением окислительного фосфорилирования. При свободном окислении энергия транспорта протонов и электронов превращается в теплоту. Это необходимо в тех ситуациях, когда организм нуждается в производстве тепла больше, чем в синтетических процессах, использующих АТФ; например, это происходит в мышцах при охлаждении организма. Разобщителями в этом случае являются свободные жирные кислоты, которые повышают проницаемость митохондриальных мембран для протонов, направляя их таким образом в матрикс, т.е. в направлении, обратном создаваемому работой дыхательной цепи. Результатом будет невозможность генерирования протонного потенциала и рассеивание энергии в виде тепла. Поэтому разобщителями можно назвать все соединения, способные переносить протоны в матрикс. А окислительным фосфорилированием – процесс генерирования внутренней мембраной митохондрий электрохимического (протонного) потенциала.

Классическим разобщителем является получивший печальную известность ДНФ (динитрофенол), использовавшийся для снижения массы тела. ДНФ резко увеличивает протонную проводимость митохондриальных мембран, приводит к выраженному разобщению окислительного фосфорилирования и развитию тяжелых дистрофических процессов вследствие недостаточной выработки клеткой АТФ.

Частичное разобщение окисления с фосфорилированием наблюдается при многих заболеваниях, так как митохондрии являются наиболее чувствительными клеточными органеллами к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Типично «митохондриальной патологией» считается гипертиреоз. При гиперпродукции гормонов щитовидной железы отмечаются набухание митохондрий, их фрагментация и распад – все это приводит к нарушению образования протонного потенциала вследствие «провала» протонов в матрикс. Это является причиной снижения продукции АТФ.

Количество адениловых нуклеотидов как сумма АТФ, АДФ и АМФ в митохондриях, да и в клетке в целом, постоянно, а изменяется только их соотношение. Добавление АДФ вызывает резкую стимуляцию дыхания митохондрий и усиленное потребление ими субстратов. Подобная реакция отмечается и в митохондриях при изменении соотношения адениловых нуклеотидов в пользу АДФ. Это имеет место при усиленном расходовании АТФ, например, во время выполнения клеткой какой-либо работы. Накопление АДФ – регуляторный сигнал, вызывающий усиление окисления субстратов. Такое усиление окислительных процессов при нормальной работе митохондрий длится ровно столько, сколько необходимо для восстановления утраченного соотношения нуклеотидов.

Отмеченные выше нарушения функций митохондрий при гипертиреозе, которые продолжаются длительное время, вызывают столь же длительное усиление окислительных процессов в клетке. Отсюда становятся понятными и клинические симптомы заболевания гипертиреозом: истощение (результат усиленного расходования продуктов питания, при распаде которых и образуются дыхательные субстраты), субфебрильная температура (большая, чем в норме, выработка тепла разобщенными митохондриями), учащенное сердцебиение (слабость миокарда из-за недостатка АТФ), увеличение основного обмена (увеличение потребления кислорода и выделения углекислоты) и другие симптомы.