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.