Oyunlar

Hidrogen və elektron daşıma zənciri (tənəffüs zənciri). Elektron ötürmə kompleksləri. Oksidləşdirici fosforlaşma. Oksidləşmə və fosforlaşmanın kimyosmotik nəzəriyyəsi. Elektron nəqli prosesinin ATP əmələ gəlməsi ilə əlaqələndirilməsi mexanizmləri. Tənəffüs

Oksidləşdirici fosforlaşma

Oksidləşdirici fosforlaşma mexanizmi ilk dəfə Peter Mitchell tərəfindən təklif edilmişdir. Bu fərziyyəyə görə, daxili mitoxondrial membranda baş verən elektron köçürmə H+ ionlarının mitoxondrial matrisdən membranlararası boşluğa pompalanmasına səbəb olur. Bu, sitozol və qapalı intramitoxondrial boşluq arasında H + ion konsentrasiyasının gradientini yaradır. Hidrogen ionları normal olaraq mitoxondrial matrisə yalnız bir yolla - ATP - ATP sintazını əmələ gətirən xüsusi ferment vasitəsilə qayıda bilir.

Müasir anlayışlara görə, daxili mitoxondrial membran bir çox fermentlər də daxil olmaqla bir sıra multiferment komplekslərini ehtiva edir. Bu fermentlərə tənəffüs fermentləri, onların membranda yerləşmə ardıcıllığına isə tənəffüs zənciri (elektron daşıma zənciri) deyilir.

Oksidləşdirici fosforlaşmanın ümumi prinsipi

Ümumiyyətlə, tənəffüs zəncirinin işi belədir:

Katabolizm reaksiyalarında əmələ gələn NADH və FADH 2 hidrogen atomlarını (yəni hidrogen protonlarını və elektronlarını) tənəffüs zəncirinin fermentlərinə ötürür.
Elektronlar tənəffüs zəncirinin fermentləri vasitəsilə hərəkət edir və enerji itirirlər.
Bu enerji H+ protonlarını matrisdən membranlararası boşluğa vurmaq üçün istifadə olunur.
Tənəffüs zəncirinin sonunda elektronlar oksigeni vurur və onu suya çevirir.
H+ protonları yenidən matrisə daxil olur və ATP sintazasından keçir.
Eyni zamanda, ATP sintezi üçün istifadə olunan enerjini itirirlər.

Beləliklə, NAD və FAD-ın azaldılmış formaları tənəffüs zəncirinin fermentləri tərəfindən oksidləşir, bunun sayəsində ADP-yə fosfat əlavə olunur, yəni fosforlaşma. Buna görə də bütün proses oksidləşdirici fosforlaşma adlanır.

Proton potensialı harada induksiya olunur? Proton potensialı ATP sintaza tərəfindən enerjiyə çevrilir kimyəvi bağlar ATP. ETC və ATP sintazasının birləşmə işi oksidləşdirici fosforlaşma adlanır.

Eukaryotik mitoxondriyalarda elektron daşıma zənciri NADH-nin oksidləşməsi və ubiquinone Q-nun kompleks I tərəfindən reduksiyası ilə başlayır. Sonra kompleks II suksinatı fumarata oksidləşdirir və ubiquinonu Q-nu azaldır. Ubiquinone Q sitoxrom c kompleksi III tərəfindən oksidləşir və reduksiya olunur. Zəncirin sonunda kompleks IV elektronların sitoxrom c-dən oksigenə keçməsini katalizləşdirir və su əmələ gətirir. Reaksiya nəticəsində şərti olaraq buraxılan hər 6 proton və 6 elektron üçün 1 molekul O2 və 10 NAD∙H molekulunun xərclənməsi hesabına 2 molekul su ayrılır.

Kompleks I və ya NADH dehidrogenaz kompleksi NAD-H-ni oksidləşdirir. Bu kompleks hüceyrə tənəffüs proseslərində mərkəzi rol oynayır və. ATP sintezi üçün proton gradientinin demək olar ki, 40%-i bu kompleks tərəfindən yaradılır. Kompleks I NADH-ni oksidləşdirir və membrana buraxılan ubiquinonun bir molekulunu azaldır. Oksidləşən hər bir NADH molekulu üçün kompleks dörd protonu membrana köçürür. NADH dehidrogenaz kompleksi ondan iki elektron alır və onları ubiquinona köçürür. Ubiquinone lipidlərdə həll olunur. Membran daxilində ubiquinon III kompleksə diffuziya edir. Eyni zamanda kompleks I matrisdən 2 proton və 2 elektronu mitoxondriyə vurur.

Kompleksin elektron nəqli zənciri I. Boz oxlar - çətin və ya indi fəaliyyət göstərməyən nəqliyyat yolu

N5 çoxluğu çox aşağı potensiala malikdir və zəncir boyu elektronların ümumi axınının sürətini məhdudlaşdırır. Dəmir-kükürd mərkəzləri üçün adi ligandlar (dörd sistein qalığı) əvəzinə, üç sistein qalığı və bir histidin qalığı ilə əlaqələndirilir və fermentin dərinliyində yerləşməsinə baxmayaraq, yüklü qütb qalıqları ilə əhatə olunur.

N7 klasteri bəzi bakteriyaların yalnız I kompleksində mövcuddur. O, digər çoxluqlardan əhəmiyyətli dərəcədə çıxarılır və onlarla elektron mübadilə edə bilmir, ona görə də yəqin ki, reliktdir. Kompleks I ilə əlaqəli bəzi bakterial komplekslərdə N7 və digər çoxluqlar arasında dörd qorunmuş sistein qalığı və I bakterial kompleksdə tapıldı. Aquifex aeolicus N7-ni qalan klasterlərlə birləşdirən əlavə Fe 4 S 4 klasteri aşkar edilmişdir. Buradan belə çıxır A. aeolicus kompleks I, NADH-dən əlavə, onları N7 vasitəsilə ötürən başqa bir elektron donordan istifadə edə bilər.

NADH dehidrogenaz kompleksi trikarboksilik turşu dövrü zamanı matrisdə əmələ gələn NADH-ni oksidləşdirir. NADH-dən olan elektronlar membran daşıyıcısını, ubiquinone Q-nu bərpa etmək üçün istifadə olunur, bu da onları mitoxondrial elektron daşıma zəncirinin növbəti kompleksinə, kompleks III və ya sitoxroma köçürür. e.ə 1-kompleks.

NADH dehidrogenaz kompleksi proton pompası kimi işləyir: hər oksidləşmiş NADH və azalmış Q üçün dörd proton membrandan membranlararası boşluğa vurulur:

Reaksiya zamanı yaranan elektrokimyəvi potensial ATP sintez etmək üçün istifadə olunur. Kompleks I tərəfindən katalizləşdirilən reaksiya geri çevrilir, bu proses aerob süksinatın səbəb olduğu NAD+ reduksiyası adlanır. Yüksək membran potensialı və həddindən artıq azalmış ubiquinollar şəraitində kompleks elektronlarından istifadə edərək NAD+-ı azalda və protonları yenidən matrisə ötürə bilər. Bu fenomen adətən çoxlu suksinat, lakin az oksaloasetat və ya malat olduqda baş verir. Ubiquinonun azaldılması suksinat dehidrogenaz və ya mitoxondrial fermentlər tərəfindən həyata keçirilir. Yüksək şəraitdə proton qradiyenti kompleksin ubiquinola yaxınlığı artır və ubiquinolun redoks potensialı konsentrasiyasının artması səbəbindən azalır, bu da elektronların daxili mitoxondrial membranın elektrik potensialı boyunca NAD-a tərs nəqlini mümkün edir. Bu fenomen laboratoriya şəraitində müşahidə edildi, lakin canlı hüceyrədə baş verib-vermədiyi məlum deyil.

Kompleks I üzrə tədqiqatın ilkin mərhələlərində geniş müzakirə edilən model kompleksdə eyni sistemin işlədiyi fərziyyəsinə əsaslanırdı. Bununla belə, sonrakı tədqiqatlar kompleks I-də heç bir daxili bağlı xinonlar tapmadı və bu fərziyyəni tamamilə rədd etdi.

NADH dehidrogenaz kompleksi fermentin özündə konformasiya dəyişiklikləri vasitəsilə unikal proton daşıma mexanizminə malikdir. ND2, ND4 və ND5 alt bölmələri bir-birinə və bakterial Mrp Na + /H + antiportlarına homolog olduqları üçün antiport kimi adlanır. Bu üç alt bölmə konservləşdirilmiş yüklü amin turşusu qalıqlarından (əsasən lizin və glutamat) ibarət olan üç əsas proton kanalını təşkil edir. Dördüncü proton kanalı Nqo8 subunitinin bir hissəsi və kiçik subunitlər ND6, ND4L və ND3 tərəfindən formalaşır. Kanal strukturuna görə antiporta bənzər alt bölmələrin oxşar kanallarına bənzəyir, lakin matris tərəfində qeyri-adi dərəcədə sıx yığılmış qlutamat qalıqları var, buna görə də o, E-kanal adlanır (standart olaraq Latın E-dən istifadə olunur). glutamat üçün təyinat). ND5 alt bölməsinin C-terminalından qeyri-adi uzun (110 Å) α-heliks (HL) ilə birləşdirilmiş iki transmembran spiraldan ibarət uzantı uzanır, kompleksin matrisə baxan tərəfi boyunca keçərək hər üçünü fiziki olaraq birləşdirir. antiport kimi alt bölmələrdir və ehtimal ki, konformasiya yenidən təşkili ilə elektron nəqliyyatının birləşməsində iştirak edirlər. Digər birləşmə elementi, βH, üst-üstə düşən və α-spiral silsiləsi ilə əmələ gəlir və kompleksin əks, periplazmik tərəfində yerləşir. Elektron nəqlinin proton ötürülməsi ilə tam olaraq necə birləşdiyi hələ də tam məlum deyil. Güman edilir ki, N2 klasterinin güclü mənfi yükü ətrafdakı polipeptidləri sıxışdıraraq, bir-birindən kifayət qədər uzaqda yerləşən bütün antiporta bənzər alt bölmələrə yayılan konformasiya dəyişikliklərinə səbəb ola bilər. Başqa bir fərziyyə, konformasiya dəyişikliyinin qeyri-adi uzun ubiquinonun bağlanma sahəsinin ubiquinol Q-2-ni son dərəcə aşağı redoks potensialı və mənfi yüklə sabitləşdirməsinə səbəb olduğunu göstərir. Konformasiya dəyişikliklərinin kinetikasının və əlaqəli proton nəqlinin bir çox təfərrüatları naməlum olaraq qalır.

Ən çox öyrənilmiş kompleks I inhibitoru rotenondur (üzvi pestisid kimi geniş istifadə olunur). Rotenon və rotenoidlər bir neçə tropik bitki cinslərinin köklərində olan izoflavonoidlərdir. Antonia (Loganiaceae), Derris Və Lonchocarpus (Fabaceae). Rotenon həşəratların və balıqların mitoxondriləri ona xüsusilə həssas olduğu üçün uzun müddət insektisid və balıq zəhəri kimi istifadə edilmişdir. Məlumdur ki, Fransız Qvianasının yerli əhalisi və digər Cənubi Amerika hinduları hələ 17-ci əsrdə balıq ovu üçün rotenon tərkibli bitkilərdən istifadə edirdilər. Rotenon ubiquinonun bağlanma yeri ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və əsas substratla rəqabət aparır. Göstərilmişdir ki, kompleks I-in rotenon tərəfindən uzunmüddətli sistemli inhibəsi dopaminerjik neyronların seçici ölümünə səbəb ola bilər (nörotransmitter dopamini ifraz edir). Struktur olaraq ubiquinona bənzəyən digər güclü kompleks I inhibitoru Piericidin A da oxşar şəkildə hərəkət edir. Barbiturik turşunun törəməsi olan natrium amital da bu qrupa aiddir.

Kompleks I-nin 50 ildən çox öyrənilməsinə baxmayaraq, kompleks daxilində elektron ötürülməsini maneə törədən inhibitorları aşkar etmək mümkün olmayıb. Rotenon və ya pierisidin kimi hidrofobik inhibitorlar sadəcə N2 terminal klasterindən ubiquinona elektron ötürülməsini dayandırırlar.

Kompleks I-i bloklayan başqa bir maddə NADH-nin oksidləşmə reaksiyasında olan adenozin difosfat ribozudur. Nukleotid bağlama yerində (FAD) fermentə bağlanır.

Kompleks I-in ən güclü inhibitorlarından bəzilərinə asetogenin ailəsi daxildir. Bu maddələrin ND2 alt bölməsi ilə kimyəvi çarpaz əlaqələr meydana gətirdiyi göstərilmişdir ki, bu da dolayı yolla ND2-nin ubiquinonun bağlanmasında rolunu göstərir. Maraqlıdır ki, asetogenin roliniastatin-2 rotenondan başqa yerdə bağlanan ilk kompleks I inhibitoru idi.

Antidiyabetik dərman metformin orta dərəcədə inhibitor təsir göstərir; Göründüyü kimi, dərmanın bu xüsusiyyəti onun təsir mexanizminin əsasını təşkil edir.

Suksinatdan olan elektronlar əvvəlcə FAD-a, sonra isə Fe-S klasterləri vasitəsilə Q-ya ötürülür. Kompleksdə elektron nəqli proton qradiyenti ilə müşayiət olunmur. Süksinatın oksidləşməsi zamanı əmələ gələn 2H+ membranın eyni tərəfində, yəni matrisdə qalır və sonra xinonun reduksiyası zamanı reabsorbsiya olunur. Beləliklə, II kompleks membran boyunca proton qradiyentinin yaradılmasına kömək etmir və yalnız suksinatdan ubiquinona elektron daşıyıcısı kimi çıxış edir.

Süksinatın oksidləşməsi nəticəsində onun elektronları FAD-a ötürülür və sonra dəmir-kükürd klasterləri zənciri boyunca çoxluqdan klasterə ötürülür. Orada bu elektronlar bağlanma yerində gözləyən ubiquinone molekuluna köçürülür.

Bir elektronun çoxluqdan heme birbaşa keçməsinin qarşısını almaq üçün xüsusi bir qapı mexanizminin işlədiyinə dair bir fərziyyə də var. Qapı üçün ehtimal namizəd dəmir-kükürd klasteri ilə heme arasında birbaşa yerləşən, bağlı ubiquinona yaxın olan və bu redoks mərkəzləri arasında elektron axınına nəzarət edə bilən B alt bölməsinin histidin -207-dir.

Kompleks II inhibitorlarının iki sinfi var: bəziləri suksinat bağlayıcı cibini, digərləri isə ubiquinol bağlayan cibini bloklayır. Ubiquinol təqlid edən inhibitorlara karboksin və tenoyltrifluoroaseton daxildir. Süksinatın inhibitor-analoqlarına sintetik birləşmə malonat, həmçinin Krebs dövrünün komponentləri, malat və oksaloasetat daxildir. Maraqlıdır ki, oxaloasetat ən güclü kompleks II inhibitorlarından biridir. Trikarboksilik turşu dövrünün ümumi metabolitinin kompleks II-ni nə üçün maneə törətdiyi hələ aydın deyil, baxmayaraq ki, beləliklə onun superoksidin əmələ gəlməsi ilə nəticələnən kompleks I-də əks elektron daşınmasını minimuma endirərək qoruyucu rol oynaya biləcəyi irəli sürülür.

Ubiquinol-i təqlid edən inhibitorlar funqisidlər kimi istifadə edilmişdir Kənd təsərrüfatı 1960-cı illərdən. Məsələn, karboksin ilk növbədə bazidiomisetlərin yaratdığı xəstəliklər, məsələn, gövdə pas və basidiomiset xəstəlikləri üçün istifadə edilmişdir. Rizoktoniya. Bu yaxınlarda, onlar basdırılmış patogenlərin daha geniş spektri olan digər birləşmələrlə əvəz edilmişdir. Belə birləşmələrə boscalid, penthiopyrad və fluopyram daxildir. Bəzi kənd təsərrüfatı əhəmiyyətli göbələklər bu yeni nəsil inhibitorların təsirinə həssas deyillər.

Sitokrom-bc1-kompleks (sitoxrom kompleksi e.ə 1) ya ubiquinol-sitoxrom c-oksidoredüktaza, ya da kompleks III - elektron nəqlinin tənəffüs zəncirinin multiprotein kompleksi və mitoxondrial membranda proton qradientinin ən vacib biokimyəvi generatoru. Bu multiprotein transmembran kompleksi mitoxondrial (sitoxrom) tərəfindən kodlanır b) və nüvə genomları.

sitokrom- bс 1-kompleks azalmış ubiquinonu oksidləşdirir və sitokrom c-ni (E°"=+0,25 V) azaldır:

Kompleksdə elektron daşınması protonların matrisdən (daxildən) membranlararası boşluğa (xarici) köçürülməsi və mitoxondrial membranda proton qradientinin yaranması ilə əlaqələndirilir. Nəqliyyat zənciri boyunca ubikinondan sitoxrom c-yə keçən hər iki elektron üçün matrisdən iki proton sorulur və daha dördü membranlararası boşluğa buraxılır. Azaldılmış sitoxrom c sulu fraksiyada membran boyunca hərəkət edir və bir elektronu növbəti tənəffüs kompleksinə, sitoxrom oksidazaya köçürür.

Baş verən hadisələr 1976-cı ildə Peter Mitchell tərəfindən irəli sürülmüş Q dövrü kimi tanınır. Q-dövrünün prinsipi ondan ibarətdir ki, H+-nın membrandan keçməsi xinonların kompleksin özündə oksidləşməsi və reduksiyası nəticəsində baş verir. Bu halda, quinonlar müvafiq olaraq sulu fazadan seçici olaraq 2H + verir və alır müxtəlif tərəflər membranlar.

III kompleksin strukturunda kinonların bağlana bildiyi iki mərkəz və ya iki "cib" var. Onlardan biri, Q out mərkəzi, dəmir-kükürd çoxluğu 2Fe-2S və heme arasında yerləşir. b L membranın xarici tərəfinə yaxın, membranlararası boşluğa baxır. Azaldılmış ubiquinone (QH 2) bu cibdə birləşir. Digəri, cibdəki Q, oksidləşmiş ubiquinonu (Q) bağlamaq üçün nəzərdə tutulmuşdur və matrislə təmasda olan membranın daxili (daxili) tərəfinin yaxınlığında yerləşir.

Q-dövrünün işləməsi üçün zəruri və paradoksal şərt, iki bağlama mərkəzindəki semikinonların həyat müddətinin və vəziyyətinin fərqli olmasıdır. Q çıxış mərkəzində Q qeyri-sabitdir və aşağı potensiallı heme e - bağışlaya bilən güclü azaldıcı agent kimi çıxış edir. Mərkəzdəki Q-da nisbətən uzunömürlü Q - əmələ gəlir, onun potensialı ona hemdən elektronları qəbul edərək oksidləşdirici agent kimi çıxış etməyə imkan verir. b H. Q-dövrünün başqa bir əsas məqamı kompleksə daxil olan iki elektronun iki müxtəlif yol boyunca ayrılması ilə bağlıdır. Kompleksin kristal quruluşunun tədqiqi göstərdi ki, 2Fe-2S mərkəzinin digər redoks mərkəzlərinə nisbətən mövqeyi dəyişə bilər. Məlum oldu ki, Rieske zülalının 2Fe-2S klasterinin əslində yerləşdiyi mobil domeni var. Elektronu qəbul edərək və azaldılan 2Fe-2S mərkəzi Q çıxış mərkəzindən və hemedən uzaqlaşaraq öz mövqeyini dəyişir. b 60° fırlanma ilə L 17 və bununla da sitoxroma yaxınlaşır c. 2Fe-2S mərkəzi sitoxroma elektron verərək, əksinə, daha sıx əlaqə yaratmaq üçün Q çıxış mərkəzinə yaxınlaşır. Beləliklə, ikinci elektronun hemesə getməsinə zəmanət verən bir növ mekik işləyir b L və b H. İndiyə qədər bu, komplekslərdə elektron nəqlinin zülal strukturunda mobil domenlə əlaqəli olduğu yeganə nümunədir.

Elektronların kiçik bir hissəsi IV Kompleksə çatmazdan əvvəl nəqliyyat zəncirini tərk edir. Elektronların oksigenə daimi sızması superoksidin əmələ gəlməsi ilə nəticələnir. Bu kiçik yan reaksiya reaktiv oksigen növlərinin bütöv bir spektrinin meydana gəlməsinə gətirib çıxarır, çox zəhərlidir və patologiyaların inkişafında və qocalmada əhəmiyyətli rol oynayır). Elektron sızmalar əsasən Q in saytda baş verir. Bu proses antimisin A tərəfindən təşviq edilir. Hemi bloklayır b onların reduksiya vəziyyətində, elektronların semikinon Q-ya tökülməsinə mane olur, bu da öz növbəsində onun konsentrasiyasının artmasına səbəb olur. Semikinon oksigenlə reaksiya verir, bu da superoksidin əmələ gəlməsinə səbəb olur. Nəticədə meydana gələn superoksid mitoxondrial matrisə və membranlararası boşluğa daxil olur, oradan sitozola daxil ola bilər. Bu faktı Kompleks III-ün, ehtimal ki, yüklü Superoksid (O 2 -) ilə müqayisədə xarici membrana daha asan nüfuz edə bilən yüklənməmiş HOO şəklində superoksid istehsal etməsi ilə izah edilə bilər.

Bu maddələrin bəziləri funqisidlər (məsələn, strobilurin törəmələri, bunlardan ən yaxşısı azoxystrobin, Q ext site inhibitorudur) və antimalarial dərmanlar (atovaquone) kimi istifadə olunur.

Sitokrom c oksidaz (sitoxrom oksidaz) və ya sitoxrom aa 3 və kompleks IV kimi tanınan sitoxrom c oksigen oksidoreduktaza, sitoxromdan elektronların ötürülməsini kataliz edən aerob tənəffüs elektron nəqli zəncirinin terminal oksidazıdır. ilə su əmələ gətirmək üçün oksigenə. Sitokrom oksidaza bütün eukariotların mitoxondrilərinin daxili membranında, adətən kompleks IV adlanan yerdə, həmçinin bir çox aerob bakteriyaların hüceyrə membranında olur.

Kompleks IV ardıcıl olaraq dörd sitoxrom c molekulunu oksidləşdirir və dörd elektron qəbul edərək O 2-ni H 2 O-ya endirir. O 2-nin azaldılması zamanı dörd H + tutulur.

Elektron nəqli zəncirinin fermentləri mitoxondrial membranda elə bərkidilir ki, onların hərəkəti vektor xarakterlidir, yəni təkcə reaksiya sürətinin böyüklüyü ilə deyil, həm də ATPazaların nəqliyyat hərəkətinə bənzər məkan istiqaməti ilə xarakterizə olunur. . Tənəffüs zəncirində vektorlaşdırmanın əsas təzahürü hidrogen ionlarının membranın daxili tərəfindən (matris tərəfdən) xarici tərəfə (membranlararası boşluğa) ötürülməsidir.

Tənəffüs zəncirində proton nasosu ilə əlaqəli üç nöqtə var: komplekslər I, III və IV.
Koenzim Q, NADH dehidrogenazanın (kompleks I) iştirakı ilə membranın matris tərəfində tənəffüs zəncirinin komponentlərindən elektronları (həmçinin protonları) birləşdirir və membranın əks tərəfində elektronlar və protonlar buraxılır. , və elektronlar tənəffüs zəncirinin növbəti komponenti tərəfindən qəbul edilir və protonlar membranlararası boşluğa daxil olurlar. Bu mexanizm Q-dövrü adlanır. Sitokrom c reduktaza (kompleks III) oxşar şəkildə hərəkət edir. Sitokrom oksidaz (kompleks IV) bölgəsində Cu2+ ionları protonun nəqlində iştirak edə bilər.
Hər bir kompleks vasitəsilə iki elektronun ötürülməsi dörd protonun vurulmasına imkan verir. Beləliklə, elektron daşıma zənciri proton pompası kimi çıxış edir, hidrogen ionlarını matrisdən membranın kənarına vurur.
Nəticədə, membranın yan tərəflərində proton konsentrasiyalarında bir fərq və eyni zamanda, xarici səthdə artı işarəsi olan elektrik potensiallarında fərq görünür. Başqa sözlə, maddələrin redoks potensialındakı fərqin enerjisi ArH+ proton elektrokimyəvi potensialının enerjisinə çevrilir.
Elektrokimyəvi potensial protonları əks istiqamətdə - xarici səthdən içəriyə doğru hərəkət etməyə məcbur edir. ATP sintetaza çox böyük oliqomerik zülaldır, burada üç hissə fərqlənir: üç cüt sf dimerindən qurulmuş mitoxondrial matrisə (F1) çıxan hissə; hidrofilik kanal meydana gətirən transmembran hissəsi (F0) və aralıq bölgə FA. F1 alt bölməsində ATP sintez edən aktiv saytlar var. Protonlar ATP sintaza kanalı ilə hərəkət edir və bu hərəkətdən gələn enerji ATP yaratmaq üçün istifadə olunur. Birləşmənin xüsusi mexanizmləri, yəni elektrokimyəvi potensialın ATP-nin yüksək enerjili bağının enerjisinə çevrilməsi hələ də tam aydın deyil.
Nəticədə meydana gələn ATP, ADP-ATP translokazının iştirakı ilə matrisdən membranın xarici tərəfinə daşınır və sitozola daxil olur. Eyni zamanda, eyni translokaz ADP-ni əks istiqamətdə, sitozoldan mitoxondrial matrisə köçürür.
Süni şəraitdə, in vitro təcrübələrdə daxili membranın daxili səthindən artıq ATP yaratmaq mümkündür. Bu vəziyyətdə reaksiya sağdan sola doğru gedir, yəni ferment protonları (H+-ATPase) ötürən nəqliyyat ATPazı kimi işləyir. Bu zaman membrana enerji verilir: ArH+ ATP hidrolizinin enerjisi hesabına yaranır.

11.3.3.1. Elektron daşıyıcıları

Elektron daşıyıcıları xaç şəklində düzülmüş daxili mitoxondrial membranın səthində və ya dərinliyində yerləşir, onların sayı və qablaşdırma sıxlığı hüceyrənin enerji ehtiyacları ilə əlaqələndirilir.

Bir çox elektron daşıyıcıları protez qrup olaraq hem ehtiva edən zülallardır.

Hem molekulunun xüsusiyyətləri onun bağlandığı zülaldan asılıdır. Bundan əlavə, müxtəlif sitoxromlarda olan hemlər yan qrupların strukturunda və apoproteinə qoşulma üsulu ilə fərqlənə bilər. Buna görə də, sitoxromlar redoks potensialında fərqlənə bilər, baxmayaraq ki, onların hamısı demək olar ki, eyni protez qruplarına malikdir.

Elektron daşıyıcıları qırmızı rəngdə olduqları üçün sitoxromlar adlanır. Müxtəlif sitoxromlar hərf indeksləri ilə təyin olunur: s 1, s, a, a 3 - dövrədə yerləşmə sırası ilə.

Hem olmayan dəmir tərkibli elektron daşıyıcıların başqa bir növünə dəmir atomlarının sistein zülal qalıqlarının sulfhidril qrupları ilə, eləcə də dəmir-kükürd kompleksləri və ya mərkəzləri əmələ gətirən qalıqların sulfhidril anionları ilə bağlandığı zülallar daxildir. Şəkil 29).

düyü. 29. Dəmir-kükürd mərkəzinin quruluşu

Sitokromlarda olduğu kimi, belə mərkəzlərdəki dəmir atomları növbə ilə ferro(Fe 2+) və ferri(Fe 3+) vəziyyətlərinə keçərək elektronları qəbul edib bağışlaya bilər. Dəmir-kükürd mərkəzləri flavin tərkibli fermentlərlə birlikdə fəaliyyət göstərir, yağların oksidləşməsində iştirak edən suksinat dehidrogenaz və dehidrogenazlardan elektronları qəbul edir.

Başqa bir daşıyıcı növü FMN tərkibli zülaldır. FMN (flavin adenin mononükleotidi) FAD molekulunun flavin yarısı olan bir birləşmədir. FMN elektronları FADN-dən dəmir-kükürd mərkəzlərinə köçürür.

Bütün zülal daşıyıcıları, membranda ciddi şəkildə sabit bir mövqe tutan və müəyyən bir şəkildə yönəldilmiş ayrılmaz zülallardır. İstisna sitoxrom c-dir, o, xarici membrana sərbəst bağlanır və onu asanlıqla tərk edir.

Yeganə qeyri-zülal elektron daşıyıcısı ubiquinonedir, ona görə belə adlandırılmışdır ki, bir tərəfdən kinondur, digər tərəfdən isə hər yerdə tapılır (ingilis dilindən. hər yerdə- hər yerdə mövcuddur). Onun qısaldılmış adı CoQ, UQ və ya sadəcə Q. Bütün dəmir-kükürd mərkəzləri elektronları ubiquinona verir.

Reduksiya zamanı ubiquinone təkcə elektronları deyil, həm də protonları alır (şək. 30).

Şəkil 30. Ubiquinone - koenzim Q (a)
və onun redoks çevrilmələri (b)

Bir elektron reduksiya ilə semikinona (üzvi sərbəst radikal), iki elektron reduksiya ilə isə hidroxinona çevrilir. Ubiquinonun iki deyil, bir elektron daşıyıcısı kimi xidmət etməsinə imkan verən sərbəst radikalın aralıq formalaşmasıdır. Çox uzun hidrofobik quyruq (ardıcıl olaraq on izoprenoid qalıqda 40 karbon atomu) ubiquinona daxili mitoxondrial membranın qütb olmayan təbəqəsinə asanlıqla daxil olmaq və sərbəst hərəkət etmək imkanı verir.

11.3.3.2. Vektorların yeri

Daşıyıcılar arasında elektron axını daha yüksək reduksiya potensialı olan (yəni aşağı redoks potensialı) daşıyıcıdan daha aşağı reduksiya potensiallı (yəni daha çox oksidləşmiş, daha yüksək redoks potensiallı) daşıyıcıya yönəldilir (şək. 31).

Şəkil 31. Mitoxondriyada tənəffüs zənciri komponentlərinin redoks potensialı

Mitoxondrial zəncirdə daşıyıcıların müxtəlif redoks potensialı var.

Zəncirdəki elektron daşıyıcıları dövrədə elə yerləşdirilib ki, DG 0 (sərbəst enerji) tədricən azalsın və müvafiq olaraq redoks potensialı artır. Zəncirə bitişik bir daşıyıcıya elektron ötürülməsinin hər bir mərhələsində sərbəst enerji ayrılır.

Qlükozanın oksidləşməsi zamanı elektronlar NADH və FADH 2-dən oksigenə keçir. Bu prosesdə bir çox daşıyıcı iştirak edir, lakin onları mitoxondrial membrana daxil olan dörd kompleksə qruplaşdırmaq olar.
(Şəkil 32).

düyü. 32. Dörd elektron daşıma kompleksi
mitoxondrial membranda

Komplekslər arasında elektronlar mobil daşıyıcılarla birlikdə hərəkət edir: ubiquinone və sitoxrom c. Ubiquinone I və II komplekslərdən elektronları qəbul edir və onları III kompleksə ötürür. Sitokrom c III və IV komplekslər arasında vasitəçi rolunu oynayır. Kompleks I elektronları NADH-dən Q-ya köçürür; kompleks II – suksinatdan FADN 2 vasitəsilə Q-a qədər; kompleks III sitoxrom c-ni azaltmaq üçün QH 2-dən istifadə edir və kompleks IV sitoxromdan elektronları köçürür. ilə oksigen üçün. I, III və IV kompleksləri müvafiq olaraq NADH-CoQ reduktaza, CoQH 2 -sitoxrom adlanır. ilə-reduktaza və sitokrom oksidaz. Kompleks IV - sitoxrom oksidaz - bir neçə zülaldan ibarətdir. Sitokromdan elektron alır ilə daxili mitoxondrial membranın xarici tərəfində. Oksigenə gedən yolda bu elektronlar sitoxromlardan keçir A Və a 3, növbə ilə Cu + və Cu 2+ vəziyyətlərinə çevrilən mis atomlarını ehtiva edir. Sitokrom oksidaz sərbəst oksigeni azaldır:

O 2 + 4 e - + 4H + ® 2H 2 O

11.3.3.3. Mitçelin kimyosmotik nəzəriyyəsi

Tənəffüs zənciri boyunca elektronların daşınması ATP-nin yaranmasına səbəb olur. Elektron nəqlinin ATP sintezi ilə birləşmə mexanizminin konsepsiyası 1961-ci ildə ingilis biokimyaçısı Piter Mitçel tərəfindən işlənib hazırlanmışdır (Mitchell 1978-ci ildə Nobel mükafatına layiq görülüb). Mitchell kəşf etdi ki, elektron axını protonların mitoxondriyadan xaric olmasına səbəb olur. mühit, membran boyunca proton qradiyenti yaratmaq (xarici məhlulun pH-ı azalır). Protonlar müsbət yüklü hissəciklər olduğundan, onların mitoxondriyadan çıxarılması səbəbindən membranda elektrik potensialı (mənfi - daxili) və pH fərqi (daha yüksək - daxili) yaranır. Birlikdə, elektrik və konsentrasiya gradientləri ATP sintezi üçün enerji mənbəyi olan proton hərəkətverici qüvvəsini (Mitçelə görə) təşkil edir (Şəkil 33).

düyü. 33. Daxili ATP sintezinin sxemi
mitoxondrial membran

Protonun hərəkətverici qüvvəsi ADP və fosfordan ATP sintez etmək üçün elektron axınından istifadə edən ATP sintaza komplekslərini hərəkətə gətirir. Kompleks, hər biri bir neçə protein molekulundan ibarət olan bir-biri ilə əlaqəli iki komponent F 0 F 1 ilə təmsil olunur. F 0 membranda girintilidir və F 1 onun səthində yerləşir. Məhz F1-də ATP sintez olunur, F0 isə proton kanalının özünün funksiyasını yerinə yetirir (şək. 34).

Şəkil 34. E. coli-dən F 0 F 1 ATP sintetazasının “göbələk” strukturunun sxematik təsviri. F 0 komponenti membrana nüfuz edərək protonlar üçün kanal əmələ gətirir. F 1-in “göbələk qapağı” kimi heksamerik quruluş meydana gətirəcək şəkildə təşkil edilmiş üç a və üç b alt bölməsindən və F 0-ı birləşdirən “çubuq” təşkil edən bir g, bir d və bir e alt bölməsindən ibarət olduğu güman edilir. F 1 kanalına

ATP sintetaza vasitəsilə ATP-nin necə əmələ gəldiyi dəqiq məlum deyil. Bir nəzəriyyəyə görə, protonların F0 faktoru vasitəsilə yerdəyişməsi zamanı ADP və fosfordan ATP sintez edən F1 komponentində konformasiya dəyişiklikləri baş verir.

NADH-dən oksigenə ötürülən hər elektron cütü üçün mitoxondrial matrisdən çıxarılan 10 proton var. Beləliklə, 1 NADH molekulunun oksidləşməsi 2,5 ATP molekulunun, 1 FADH 2 molekulunun oksidləşməsi isə 1,5 ATP molekulunun sintezinə səbəb olur. Əvvəllər müvafiq olaraq üç və iki ATP molekulunun sintez edildiyinə inanılırdı. Bu kəmiyyətlər adətən P/O nisbətləri adlanır, çünki 2 elektronun ötürülməsi 1 oksigen atomunun azalmasına bərabərdir.

Qlükoza molekulunun CO 2 və H 2 O-ya oksidləşməsi zamanı ATP məhsulu.

Glikoliz 2 ATP molekulu istehsal edir (4 istehsal olunur, lakin 2-si istehlak olunur). Qlikoliz zamanı sitoplazmada 1 qlükoza molekuluna 2 NADH molekulu da əmələ gəlir. Limon turşusu dövrəsində 2 ATP molekulu əmələ gəlir (1 qlükoza molekulundan 2 asetil-KoA molekulu əmələ gəlir və bu, dövrün iki növbəsini tetikler).

Hər 1 molekul qlükoza üçün piruvat dehidrogenaz 2 molekul NADH, limon turşusu dövrü isə 6 molekul NADH əmələ gətirir. Onların oksidləşməsi 20 ATP molekulunun sintezinə səbəb olur. Süksinatın fumarata çevrilməsi zamanı FADH 2-nin oksidləşməsi nəticəsində daha üç ATP molekulu əmələ gəlir.

ATP molekullarının ümumi çıxışı hüceyrələr tərəfindən NADH-ni tənəffüs zəncirinə çatdırmaq üçün hansı servis mexanizmindən (qliserofosfat və malat aspartat) istifadə olunmasından asılı olacaq. Qliserin fosfat mexanizmində NADH-dən elektronlar dihidroksiasetonfosfata ötürülür və qliserol-3-fosfat əmələ gəlir ki, bu da elektronları tənəffüs zəncirinə köçürür (şək. 35). Bu, qliserol-3-fosfat dehidrogenaz fermentinin iştirakı ilə baş verir. Sitoplazmik NADH-nin köməyi ilə flavoproteinin - qliserol-3-fosfat dehidrogenazanın protez qrupu olan mitoxondrial FAD bərpa olunur.

düyü. 35. Gliserol fosfat mekik mexanizmi

Başqa bir xidmət sistemi, malat-aspartat sistemi elektronları sitoplazmik NADH-dən mitoxondrial NAD+-a köçürür (şək. 36). Bu, elektron daşıma zəncirində daha da oksidləşən mitoxondrial NADH-nin meydana gəlməsinə səbəb olur. Sitoplazmada NADH oksaloasetatı malata qədər azaldır. Sonuncu, daşıyıcının köməyi ilə mitoxondriyaya daxil olur və burada NAD+-nın azalması ilə oksaloasetata yenidən oksidləşir. Oksaloasetatın özü mitoxondriyadan çıxa bilməz, ona görə də əvvəlcə aspartata çevrilir, o, daşıyıcı tərəfindən sitoplazmaya daşınır. Sitoplazmada aspartat deaminasiya olunur, oksaloasetata çevrilir və bununla da mekik mexanizmi bağlanır.

Şəkil 36. Elektron ötürülməsi üçün malat-aspartat servis sistemi

Struktur və funksional olaraq əlaqəli transmembran zülalları və elektron daşıyıcıları sistemi. NAD*H və FADH2-nin molekulyar oksigenlə oksidləşməsi zamanı ayrılan enerjini membrandan protonların vurulması ilə birləşərək zəncir boyunca elektronun ardıcıl ötürülməsi nəticəsində transmembran proton potensialı şəklində saxlamağa imkan verir. Eukariotlarda nəqliyyat zənciri daxili mitoxondrial membranda lokallaşdırılmışdır. Tənəffüs zəncirində 4 multiferment kompleksi var. Elektron ötürülməsində iştirak etməyən, lakin ATP sintez edən başqa bir kompleks də var.

1-ci - CoA oksidoreduktaza.

1.NADH-dən elektronları qəbul edir və onları Q koenziminə (ubiquinone) ötürür. 2. 4 H+ ionunu daxili mitoxondrial membranın xarici səthinə köçürür.

2-ci FAD-dan asılı dehidrogenazlar.

1. Sitokrom c oksidoreduktaza ilə FAD-nın azaldılması.

2.Q koenzimindən elektronları qəbul edir və onları sitoxrom c-yə ötürür.

3.Daxili mitoxondrial membranın xarici səthinə 2 H+ ionunu köçürür.

4-cü sitoxrom c-oksigen oksidoreduktaza.

1.Sitoxrom c-dən elektronları qəbul edir və onları oksigenə ötürür və su əmələ gətirir.

2.Daxili mitoxondrial membranın xarici səthinə 4 H+ ionunu köçürür. Aerob şəraitdə dehidrogenazlar tərəfindən substratlardan ayrılan bütün hidrogen atomları NADH və ya FADH2-nin bir hissəsi kimi daxili mitoxondrial membrana çatır.

Elektronlar hərəkət etdikcə enerji itirirlər -> enerji H protonlarını vurmaq üçün komplekslər tərəfindən xərclənir. Bu enerjinin bir hissəsi ATP sintezinə sərf olunur. Digər hissəsi isə istilik kimi yayılır.

Mitoxondrial tənəffüs zənciri 5 multiferment kompleksindən ibarətdir, onların alt bölmələri həm nüvə, həm də mitoxondrial genlər tərəfindən kodlanır. Koenzim Q10 və sitoxrom c elektron nəqlində iştirak edir. Elektronlar NAD*H və FAD"H molekullarından gəlir və tənəffüs zənciri boyunca daşınır. Sərbəst buraxılan enerji protonları mitoxondriyanın xarici membranına nəql etmək üçün istifadə olunur və nəticədə əldə edilən elektrokimyəvi qradiyentin V kompleksindən istifadə edərək ATP sintezi üçün istifadə olunur. mitoxondrial tənəffüs zənciri

44. Tənəffüs zəncirində elektron daşıyıcılarının ardıcıllığı və quruluşu

1 kompleks. NADH-CoQ oksidoreduktaza

Bu kompleks həm də NADH dehidrogenazın işçi adına malikdir, tərkibində FMN (flavin mononükleotidi), 22 protein molekulu var, onlardan 5-i ümumi olan dəmir-kükürd zülallarıdır. molekulyar çəki 900 kDa-a qədər.

NADH-dən elektronları qəbul edir və onları Q koenziminə (ubiquinone) ötürür.

4 H+ ionunu daxili mitoxondrial membranın xarici səthinə köçürür.

2 kompleks. FAD-dan asılı dehidrogenazlar

Buraya daxili membranda yerləşən FAD-dan asılı fermentlər daxildir - məsələn, asil-SCoA dehidrogenaz (yağ turşusunun oksidləşməsi), süksinat dehidrogenaz (trikarboksilik turşu dövrü), mitoxondrial qliserol-3-fosfat dehidrogenaz (NADH mitoxondriyə xidmət).

Redoks reaksiyalarında FAD-ın azalması.

Elektronların FADN2-dən daxili mitoxondrial membranın dəmir-kükürd zülallarına ötürülməsini təmin etmək. Bu elektronlar daha sonra Q koenziminə keçir.

46. Oksidləşmə və fosforlaşmanın ayrılmasının biokimyəvi mexanizmləri, onları yaradan amillər Tənəffüs və fosforlaşmanın ayrılması

Bəzi kimyəvi maddələr (protonoforlar) protonları və ya digər ionları (ionoforları) membranlararası boşluqdan membran vasitəsilə ATP sintazasının proton kanallarını keçərək matrisə daşıya bilər. Nəticədə elektrokimyəvi potensial yox olur və ATP sintezi dayanır. Bu fenomen tənəffüs və fosforlaşmanın ayrılması adlanır. Ayrılma nəticəsində ATP-nin miqdarı azalır və ADP artır. Bu zaman NADH və FADH2-nin oksidləşmə sürəti artır və udulmuş oksigenin miqdarı da artır, lakin enerji istilik şəklində ayrılır və P/O nisbəti kəskin şəkildə azalır. Bir qayda olaraq, uncouplers membranın lipid təbəqəsindən asanlıqla keçən lipofilik maddələrdir. Bu maddələrdən biri 2,4-dinitrofenoldur (şək. 6-17), ionlaşmış formadan ionlaşmamış formaya asanlıqla keçərək membranlararası boşluqda protonu birləşdirərək onu matrisə köçürür.

Bəzi dərmanlar, məsələn, dikumarol - antikoaqulyant (14-cü bölməyə baxın) və ya orqanizmdə əmələ gələn metabolitlər, bilirubin - katabolizm məhsulu (13-cü bölməyə baxın), tiroksin - tiroid hormonu (bax. bölmə). 11). Bütün bu maddələr yalnız yüksək konsentrasiyalarda birləşən təsir göstərir.

ADP və ya qeyri-üzvi fosfat tükəndikdə fosforlaşmanın dayandırılması tənəffüsün inhibə edilməsi ilə müşayiət olunur (tənəffüs nəzarət effekti). Böyük rəqəm mitoxondrial membrana zərər verən təsirlər oksidləşmə və fosforlaşma arasındakı əlaqəni pozur, ATP sintezi olmadıqda belə elektron ötürülməsinə imkan verir (açılma effekti)

1. Ümumi çıxış:

1 ATP molekulunu sintez etmək üçün 3 proton lazımdır.

2. Oksidləşdirici fosforlaşmanın inhibitorları:

İnhibitorlar V kompleksini bloklayır:

Oliqomisin - ATP sintazasının proton kanallarını bloklayır.

Atractyloside, cyclophylline - blok translocases.

3. Oksidləşdirici fosforlaşmanın birləşmələri:

Uncouplers, protonları qəbul edə və V kompleksini (onun proton kanalını) keçərək mitoxondriyanın daxili membranı vasitəsilə ötürə bilən lipofil maddələrdir. Ayırıcılar:

Təbii - lipidlərin peroksidləşməsinin məhsulları, uzun zəncirli yağ turşuları; tiroid hormonlarının böyük dozaları.

Süni - dinitrofenol, efir, vitamin K törəmələri, anesteziklər.