игри

Транспортна верига на водород и електрони (дихателна верига). Електроннопреносни комплекси. Окислително фосфорилиране. Химиосмотична теория за окисление и фосфорилиране. Механизми за свързване на процеса на електронен транспорт с образуването на АТФ. дихателна

Окислително фосфорилиране

Механизмът на окислителното фосфорилиране е предложен за първи път от Питър Мичъл. Според тази хипотеза преносът на електрони, възникващ във вътрешната митохондриална мембрана, причинява изпомпване на Н + йони от митохондриалната матрица в междумембранното пространство. Това създава градиент на концентрацията на H + йони между цитозола и затвореното интрамитохондриално пространство. Водородните йони обикновено могат да се върнат в митохондриалната матрица само по един начин - чрез специален ензим, който образува АТФ - АТФ синтаза.

Според съвременните концепции вътрешната митохондриална мембрана съдържа редица мултиензимни комплекси, включително много ензими. Тези ензими се наричат респираторни ензими, а последователността на тяхното разположение в мембраната се нарича дихателна верига (преносна верига на електрони).

Общ принцип на окислителното фосфорилиране

Като цяло работата на дихателната верига е както следва:

NADH и FADH 2, образувани в реакции на катаболизъм, пренасят водородни атоми (т.е. водородни протони и електрони) към ензимите на дихателната верига.
Електроните се движат през ензимите на дихателната верига и губят енергия.
Тази енергия се използва за изпомпване на H+ протони от матрицата в междумембранното пространство.
В края на дихателната верига електроните удрят кислорода и го редуцират до вода.
H+ протоните се втурват обратно в матрицата и преминават през ATP синтазата.
В същото време те губят енергия, която се използва за синтеза на АТФ.

По този начин редуцираните форми на NAD и FAD се окисляват от ензими на дихателната верига, поради което се добавя фосфат към ADP, т.е. фосфорилиране. Следователно целият процес се нарича окислително фосфорилиране.

Къде се индуцира протонният потенциал? Протонният потенциал се превръща в енергия от АТФ синтазата химически връзкиАТФ. Конюгираната работа на ETC и ATP синтазата се нарича окислително фосфорилиране.

В еукариотните митохондрии веригата за пренос на електрони започва с окисляването на NADH и редукцията на убихинон Q от комплекс I. След това комплекс II окислява сукцината до фумарат и редуцира убихинона Q. Убихинон Q се окислява и редуцира от цитохром с комплекс III. В края на веригата комплекс IV катализира преноса на електрони от цитохром с към кислород, за да се образува вода. В резултат на реакцията на всеки условно освободени 6 протона и 6 електрона се отделят 2 молекули вода поради изразходването на 1 молекула O2 и 10 молекули NAD∙H.

Комплекс I или NADH дехидрогеназен комплекс окислява NAD-H. Този комплекс играе централна роля в процесите на клетъчното дишане и. Почти 40% от протонния градиент за синтеза на АТФ се създава от този комплекс. Комплекс I окислява NADH и редуцира една молекула убихинон, която се освобождава в мембраната. За всяка окислена молекула NADH комплексът пренася четири протона през мембраната. NADH дехидрогеназният комплекс отнема два електрона от него и ги прехвърля към убихинон. Убихинонът е разтворим в липиди. Убихинонът вътре в мембраната дифундира до комплекс III. В същото време комплекс I изпомпва 2 протона и 2 електрона от матрицата в митохондриите.

Електронна транспортна верига на комплекс I. Сиви стрелки - малко вероятно или вече несъществуващ транспортен път

Клъстерът N5 има много нисък потенциал и ограничава скоростта на общия поток от електрони по цялата верига. Вместо обичайните лиганди за желязо-серни центрове (четири цистеинови остатъка), той се координира от три цистеинови остатъка и един хистидинов остатък и също е заобиколен от заредени полярни остатъци, въпреки че се намира дълбоко в ензима.

Клъстер N7 присъства само в комплекс I на някои бактерии. Той е значително отдалечен от другите клъстери и не може да обменя електрони с тях, така че очевидно е реликва. В някои бактериални комплекси, свързани с комплекс I, бяха открити четири запазени цистеинови остатъка между N7 и другите клъстери, а в бактериален комплекс I Aquifex aeolicusбеше открит допълнителен Fe 4 S 4 клъстер, свързващ N7 с останалите клъстери. От това следва, че A. aeolicusкомплекс I, в допълнение към NADH, може да използва друг донор на електрони, който ги пренася през N7.

NADH дехидрогеназният комплекс окислява NADH, образуван в матрицата по време на цикъла на трикарбоксилната киселина. Електроните от NADH се използват за възстановяване на мембранния транспортер, убихинон Q, който ги прехвърля към следващия комплекс от митохондриалната електротранспортна верига, комплекс III или цитохром пр.н.е 1-комплекс.

NADH дехидрогеназният комплекс работи като протонна помпа: за всеки окислен NADH и редуциран Q, четири протона се изпомпват през мембраната в междумембранното пространство:

Електрохимичният потенциал, генериран по време на реакцията, се използва за синтезиране на АТФ. Реакцията, катализирана от комплекс I, е обратима, процес, наречен аеробна сукцинат-индуцирана NAD+ редукция. При условия на висок мембранен потенциал и излишък на редуцирани убихиноли, комплексът може да редуцира NAD+, използвайки техните електрони и да предаде протоните обратно в матрицата. Това явление обикновено възниква, когато има много сукцинат, но малко оксалоацетат или малат. Редукцията на убихинона се извършва от ензимите сукцинат дехидрогеназа или митохондриални. При високи условия протонен градиентафинитетът на комплекса към убихинол се увеличава и редокс потенциалът на убихинол намалява поради увеличаване на концентрацията му, което прави възможен обратният транспорт на електрони по електрическия потенциал на вътрешната митохондриална мембрана към NAD. Това явление е наблюдавано в лабораторни условия, но не е известно дали се среща в жива клетка.

По време на началните етапи на изследване на комплекс I, широко обсъждан модел се основава на предположението, че в комплекса работи система, подобна на тази. Въпреки това, по-късни проучвания не откриха никакви вътрешно свързани хинони в комплекс I и напълно отхвърлиха тази хипотеза.

NADH дехидрогеназният комплекс изглежда има уникален протонен транспортен механизъм чрез конформационни промени в самия ензим. ND2, ND4 и ND5 субединиците се наричат антипорт-подобни, защото са хомоложни една на друга и на бактериалните Mrp Na + /H + антипортове. Тези три субединици образуват три основни протонни канала, които са съставени от запазени заредени аминокиселинни остатъци (главно лизин и глутамат). Четвъртият протонен канал се образува от част от субединицата Nqo8 и малките субединици ND6, ND4L и ND3. Каналът е подобен по структура на подобни канали на антипорт-подобни субединици, но съдържа необичайно голям брой гъсто опаковани глутаматни остатъци от страната на матрицата, поради което се нарича Е-канал (латинското E се използва като стандарт обозначение за глутамат). От C-края на субединицата ND5 се простира разширение, състоящо се от две трансмембранни спирали, свързани с необичайно дълга (110 Å) α-спирала (HL), която, преминавайки по протежение на обърнатата към матрицата страна на комплекса, физически свързва и трите антипорт-подобни субединици и вероятно участващи в свързването на електронен транспорт с конформационно пренареждане. Друг свързващ елемент, βH, се образува от серия от припокриващи се и α-спирали и е разположен на противоположната, периплазмена страна на комплекса. Все още е напълно неизвестно как точно електронният транспорт е съчетан с протонния трансфер. Смята се, че мощният отрицателен заряд на N2 клъстера може да отблъсне околните полипептиди, причинявайки конформационни промени, които по някакъв начин се разпространяват във всички подобни на антипорт субединици, разположени доста далеч една от друга. Друга хипотеза предполага, че конформационната промяна кара необичайно дългото място на свързване на убихинон да стабилизира убихинол Q-2 с изключително нисък редокс потенциал и отрицателен заряд. Много подробности за кинетиката на конформационните промени и свързания с тях протонен транспорт остават неизвестни.

Най-изследваният инхибитор на комплекс I е ротенон (широко използван като органичен пестицид). Ротенонът и ротеноидите са изофлавоноиди, които присъстват в корените на няколко рода тропически растения като напр. Антония (Loganiaceae), ДерисИ Лонхокарпус (Fabaceae). Ротенонът отдавна се използва като инсектицид и отрова за риби, тъй като митохондриите на насекомите и рибите са особено чувствителни към него. Известно е, че коренното население на Френска Гвиана и други южноамерикански индианци са използвали растения, съдържащи ротенон, за риболов още през 17 век. Ротенонът взаимодейства с мястото на свързване на убихинона и се конкурира с основния субстрат. Доказано е, че дългосрочното системно инхибиране на комплекс I от ротенон може да предизвика селективна смърт на допаминергичните неврони (секретиращи невротрансмитера допамин). Пиерицидин А, друг мощен инхибитор на комплекс I, структурно подобен на убихинона, действа по подобен начин. Натриевият амитал, производно на барбитуровата киселина, също принадлежи към тази група.

Въпреки повече от 50 години изследване на комплекс I, не беше възможно да се открият инхибитори, които блокират трансфера на електрони в комплекса. Хидрофобни инхибитори като ротенон или пиерицидин просто прекъсват трансфера на електрони от крайния N2 клъстер към убихинон.

Друго вещество, което блокира комплекс I, е аденозин дифосфат рибоза, в окислителната реакция на NADH. Той се свързва с ензима на нуклеотидното свързващо място (FAD).

Някои от най-мощните инхибитори на комплекс I включват семейството на ацетогенин. Доказано е, че тези вещества образуват химически кръстосани връзки с ND2 субединицата, което индиректно показва ролята на ND2 в свързването на убихинон. Интересно е да се отбележи, че ацетогенинът ролиниастатин-2 е първият инхибитор на комплекс I, открит за свързване на място, различно от ротенон.

Антидиабетното лекарство метформин има умерен инхибиторен ефект; Очевидно това свойство на лекарството е в основата на механизма на неговото действие.

Електроните от сукцината първо се прехвърлят към FAD и след това през Fe-S клъстери към Q. Електронният транспорт в комплекса не се придружава от генериране на протонен градиент. 2H+, образуван по време на окисляването на сукцината, остава от същата страна на мембраната, тоест в матрицата, и след това се реабсорбира по време на редукция на хинон. По този начин комплекс II не допринася за създаването на протонния градиент през мембраната и действа само като преносител на електрони от сукцинат към убихинон.

В резултат на окисляването на сукцината, неговите електрони се прехвърлят към FAD и след това се прехвърлят по верига от клъстери желязо-сяра от клъстер в клъстер. Там тези електрони се прехвърлят към молекула убихинон, чакаща на мястото на свързване.

Има също предположение, че за да се предотврати директното преминаване на електрон от клъстера към хема, работи специален механизъм на вратата. Вероятен кандидат за вратата е хистидин -207 от субединица B, която се намира директно между клъстера желязо-сяра и хема, близо до свързания убихинон, и евентуално може да контролира потока на електрони между тези редокс центрове.

Има два класа инхибитори на комплекс II: някои блокират джоба за свързване на сукцинат, а други блокират джоба за свързване на убихинол. Инхибиторите, които имитират убихинол, включват карбоксин и теноилтрифлуороацетон. Инхибиторите-аналози на сукцината включват синтетичното съединение малонат, както и компоненти на цикъла на Кребс, малат и оксалоацетат. Интересното е, че оксалоацетатът е един от най-мощните инхибитори на комплекс II. Защо общ метаболит на цикъла на трикарбоксилната киселина инхибира комплекс II остава неясно, въпреки че се предполага, че по този начин може да изпълнява защитна роля чрез минимизиране на обратния електронен транспорт в комплекс I, което води до образуването на супероксид.

Инхибитори, имитиращи убихинол, са използвани като фунгициди в селско стопанствоот 1960 г. Например, карбоксинът се използва предимно за заболявания, причинени от базидиомицети, като ръжда по стъблата и базидиомицетни заболявания. Ризоктония. Наскоро те бяха заменени от други съединения с по-широк спектър от потиснати патогени. Такива съединения включват боскалид, пентиопирад и флуопирам. Някои важни за земеделието гъби не са податливи на действието на това ново поколение инхибитори.

Cytochrome-bc1-комплекс (цитохромен комплекс пр.н.е 1) или убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза, или комплекс III - мултипротеинов комплекс на дихателната верига на електронен транспорт и най-важният биохимичен генератор на протонния градиент върху митохондриалната мембрана. Този мултипротеинов трансмембранен комплекс е кодиран от митохондриален (цитохром b) и ядрени геноми.

цитохром- bс 1-комплексът окислява редуцирания убихинон и редуцира цитохром c (E°"=+0,25 V) съгласно уравнението:

Електронният транспорт в комплекса е свързан с прехвърлянето на протони от матрицата (вътре) към междумембранното пространство (вън) и генерирането на протонен градиент върху митохондриалната мембрана. За всеки два електрона, преминаващи по транспортната верига от убихинон до цитохром с, два протона се абсорбират от матрицата и още четири се освобождават в междумембранното пространство. Редуцираният цитохром с се движи по протежение на мембраната във водната фракция и прехвърля един електрон към следващия дихателен комплекс, цитохромоксидаза.

Събитията, които се случват, са известни като Q-цикъл, който е постулиран от Питър Мичъл през 1976 г. Принципът на Q-цикъла е, че преносът на Н+ през мембраната се осъществява в резултат на окисляването и редуцирането на хиноните върху самия комплекс. В този случай хиноните съответно дават и отнемат 2Н + от водната фаза избирателно различни странимембрани.

Структурата на комплекс III има два центъра или два "джоба", в които хиноните могат да се свързват. Един от тях, Q out центърът, се намира между клъстера желязо-сяра 2Fe-2S и хема b L близо до външната страна на мембраната, обърната към междумембранното пространство. Редуцираният убихинон (QH 2) се свързва в този джоб. Другият, Q в джоба, е предназначен да свързва окисления убихинон (Q) и се намира близо до вътрешната (вътрешна) страна на мембраната в контакт с матрицата.

Необходимо и парадоксално условие за функционирането на Q-цикъла е фактът, че времето на живот и състоянието на семихиноните в двата свързващи центъра са различни. В Q out центъра, Q е нестабилен и действа като силен редуциращ агент, способен да дарява e - на хема с нисък потенциал. Относително дългоживеещ Q − се образува в центъра на Q, чийто потенциал му позволява да действа като окислител, приемайки електрони от хема bз. Друг ключов момент от Q-цикъла е свързан с разминаването на двата електрона, включени в комплекса, по два различни пътя. Изследване на кристалната структура на комплекса показа, че позицията на центъра 2Fe-2S спрямо други редокс центрове може да се измести. Оказа се, че протеинът Rieske има мобилен домейн, върху който всъщност се намира клъстерът 2Fe-2S. Приемайки електрон и се редуцира, 2Fe-2S центърът променя позицията си, отдалечавайки се от Q out центъра и хема b L с 17 с ротация от 60° и по този начин се приближава до цитохрома ° С. След като даде електрон на цитохрома, центърът 2Fe-2S, напротив, се приближава до Q out центъра, за да установи по-близък контакт. Така функционира своеобразна совалка, която гарантира, че вторият електрон отива към хемовете bЗемя bз. Досега това е единственият пример, при който електронният транспорт в комплексите е свързан с мобилен домен в протеиновата структура.

Малка част от електроните напускат транспортната верига, преди да достигнат комплекс IV. Постоянното изтичане на електрони към кислород води до образуването на супероксид. Тази малка странична реакция води до образуването на цял спектър от реактивни кислородни видове, които са много токсични и играят важна роля в развитието на патологии и стареене). Електронни течове възникват главно на място Q in. Този процес се подпомага от антимицин А. Той блокира хемите bв тяхното редуцирано състояние, предотвратявайки отделянето на електрони върху семихинон Q, което от своя страна води до повишаване на концентрацията му. Семихинонът реагира с кислорода, което води до образуването на супероксид. Полученият супероксид навлиза в митохондриалния матрикс и междумембранното пространство, откъдето може да навлезе в цитозола. Този факт може да се обясни с факта, че комплекс III вероятно произвежда супероксид под формата на незареден HOO, който може по-лесно да проникне през външната мембрана в сравнение със заредения супероксид (O 2 -).

Някои от тези вещества се използват като фунгициди (като производни на стробилурин, най-известният от които е азоксистробин, инхибитор на Q ext сайт) и антималарийни средства (атовакуон).

Цитохром с оксидаза (цитохром оксидаза) или цитохром с кислород оксидоредуктаза, известна още като цитохром аа 3 и комплекс IV, е крайна оксидаза на аеробната респираторна електротранспортна верига, която катализира трансфера на електрони от цитохром сна кислород, за да образува вода. Цитохромоксидазата присъства във вътрешната мембрана на митохондриите на всички еукариоти, където обикновено се нарича комплекс IV, както и в клетъчната мембрана на много аеробни бактерии.

Комплекс IV последователно окислява четири молекули цитохром с и, приемайки четири електрона, редуцира O 2 до H 2 O. По време на редукция на O 2, четири H + се улавят от

Ензимите на електронната транспортна верига са фиксирани в митохондриалната мембрана по такъв начин, че тяхното действие е векторно, т.е. характеризира се не само с големината на скоростта на реакцията, но и с пространствена посока, подобна на действието на транспортните АТФази . Основната проява на векторизацията в дихателната верига е прехвърлянето на водородни йони от вътрешната страна на мембраната (от страната на матрицата) към външната страна (в междумембранното пространство).

Има три точки в дихателната верига, свързани с протонното изпомпване: комплекси I, III и IV.
Коензим Q, с участието на NADH дехидрогеназа (комплекс I), прикрепя електрони (както и протони) от компонентите на дихателната верига от страната на матрицата на мембраната, а електроните и протоните се освобождават от противоположната страна на мембраната. , а електроните се приемат от следващия компонент на дихателната верига, а протоните отиват в междумембранното пространство. Този механизъм се нарича Q-цикъл. Цитохром с редуктазата (комплекс III) действа по подобен начин. В областта на цитохромоксидазата (комплекс IV), Cu2+ йони могат да участват в протонното изпомпване.
Прехвърлянето на два електрона през всеки комплекс позволява изпомпването на четири протона. По този начин веригата за транспортиране на електрони действа като протонна помпа, изпомпвайки водородни йони от матрицата към външната страна на мембраната.
В резултат на това се появява разлика в концентрациите на протони отстрани на мембраната и в същото време разлика в електрическите потенциали със знак плюс на външната повърхност. С други думи, енергията на разликата в редокс потенциала на веществата се трансформира в енергията на протонния електрохимичен потенциал ArH+.
Електрохимичният потенциал принуждава протоните да се движат в обратна посока – от външната повърхност към вътрешната. АТФ синтетазата е много голям олигомерен протеин, в който се разграничават три части: част, изпъкнала в митохондриалния матрикс (F1), изградена от три двойки sf димери; трансмембранна част (F0), образуваща хидрофилен канал, и междинна област FA. F1 субединицата съдържа активни центрове, които синтезират АТФ. Протоните се движат през ATP синтазния канал и енергията от това движение се използва за образуване на ATP. Конкретните механизми на свързване, т.е. трансформацията на електрохимичния потенциал в енергията на високоенергийната връзка на АТФ, все още не са напълно ясни.
Полученият АТФ с участието на АДФ-АТФ транслоказа се транспортира от матрицата до външната страна на мембраната и навлиза в цитозола. В същото време същата транслоказа пренася ADP в обратна посока, от цитозола към митохондриалната матрица.
При изкуствени условия, при in vitro експерименти, е възможно да се създаде излишък от АТФ от вътрешната повърхност на вътрешната мембрана. В този случай реакцията протича отдясно наляво, т.е. ензимът работи като транспортна АТФаза, която пренася протони (Н+-АТФаза). В този случай мембраната се захранва с енергия: ArH + възниква поради енергията на хидролизата на АТФ.

11.3.3.1. Електронни носители

Електронните носители са разположени на повърхността или дълбоко във вътрешната митохондриална мембрана, която е подредена в кръстове, чийто брой и плътност на опаковане корелира с енергийните нужди на клетката.

Много носители на електрони са протеини, съдържащи хем като простетична група.

Свойствата на молекулата на хема зависят от протеина, към който е прикрепена. В допълнение, хемите в различни цитохроми могат да се различават по структурата на страничните групи и метода на прикрепване към апопротеина. Следователно цитохромите могат да се различават по редокс потенциал, въпреки че всички те имат почти еднакви протетични групи.

Електронните носители се наричат цитохроми, защото са оцветени в червено. Различните цитохроми се обозначават с буквени индекси: s 1, s, a, a 3 –по реда на тяхното разположение във веригата.

Друг тип нехем съдържащи желязо електронни носители включва протеини, в които железните атоми са свързани към сулфхидрилните групи на протеиновите цистеинови остатъци, както и към сулфхидрилните аниони на остатъците, образувайки желязо-сярни комплекси или центрове ( Фиг. 29).

Ориз. 29.Структура на желязо-сярен център

Както в цитохромите, атомите на желязото в такива центрове могат да приемат и даряват електрони, последователно преминавайки във феро(Fe 2+) и фери(Fe 3+) състояния. Желязно-сярните центрове функционират заедно с флавин-съдържащи ензими, приемайки електрони от сукцинат дехидрогеназа и дехидрогенази, участващи в окисляването на мазнините.

Друг вид транспортер е FMN-съдържащият протеин. FMN (флавин аденин мононуклеотид) е съединение, което е флавиновата половина на молекулата FAD. FMN пренася електрони от FADN към желязо-сярни центрове.

Всички протеинови носители са интегрални протеини, които заемат строго фиксирана позиция в мембраната и са ориентирани по определен начин. Изключение прави цитохром с, който е хлабаво свързан с външната мембрана и лесно я напуска.

Единственият непротеинов носител на електрони е убихинонът, наречен така, защото от една страна е хинон, а от друга се среща навсякъде (от англ. вездесъщ– вездесъщ). Съкратеното му наименование е CoQ, UQ или просто Q. Всички желязо-сярни центрове отдават електрони на убихинона.

По време на редукция убихинонът придобива не само електрони, но и протони (фиг. 30).

Фиг.30.Убихинон – коензим Q (a)
и неговите редокс трансформации (b)

При едноелектронна редукция се превръща в семихинон (органичен свободен радикал), а при двуелектронна редукция се превръща в хидрохинон. Именно междинното образуване на свободен радикал позволява на убихинона да служи като носител не на два, а на един електрон. Много дългата хидрофобна опашка (40 въглеродни атома в десет последователни изопреноидни остатъка) дава на убихинона способността лесно да се вкарва и да се движи свободно в неполярния слой на вътрешната митохондриална мембрана.

11.3.3.2. Местоположение на векторите

Потокът от електрони между носителите е насочен от носителя с по-висок редукционен потенциал (т.е. по-нисък редокс потенциал) към носителя с по-нисък редукционен потенциал (т.е. по-окислен, с по-висок редокс потенциал) (фиг. 31).

Фиг.31.Редокс потенциал на компонентите на дихателната верига в митохондриите

В митохондриалната верига транспортерите имат различни редокс потенциали.

Електронните носители във веригата са разположени във веригата така, че DG 0 (свободната енергия) постепенно намалява и редокс потенциалът съответно се увеличава. На всеки етап от прехвърлянето на електрони към носител, съседен на веригата, се освобождава свободна енергия.

По време на окислението на глюкозата електроните се прехвърлят от NADH и FADH 2 към кислорода. Много транспортери участват в този процес, но те могат да бъдат групирани в четири комплекса, които са вградени в митохондриалната мембрана
(фиг. 32).

Ориз. 32.Четири електронно транспортни комплекса
в митохондриалната мембрана

Между комплексите електроните се движат заедно с мобилни носители: убихинон и цитохром c. Убихинонът получава електрони от комплекси I и II и ги прехвърля към комплекс III. Цитохром с служи като посредник между комплекси III и IV. Комплекс I пренася електрони от NADH към Q; комплекс II – от сукцинат през FADN 2 до Q; комплекс III използва QH 2 за редуциране на цитохром c, а комплекс IV пренася електрони от цитохром сза кислород. Комплекси I, III и IV се наричат съответно NADH-CoQ редуктаза, CoQH 2 -цитохром с-редуктаза и цитохромоксидаза. Комплекс IV - цитохромоксидаза - се състои от няколко протеина. Той получава електрони от цитохрома сот външната страна на вътрешната митохондриална мембрана. По пътя си към кислорода тези електрони преминават през цитохроми АИ а 3, съдържащи медни атоми, които последователно преминават в състояния Cu + и Cu 2+. Цитохромоксидазата намалява свободния кислород:

O 2 + 4 e - + 4H +® 2H 2 O

11.3.3.3. Хемиосмотичната теория на Мичъл

Транспортирането на електрони по дихателната верига води до генериране на АТФ. Концепцията за механизма на свързване на електронния транспорт със синтеза на АТФ е разработена от английския биохимик Питър Мичъл през 1961 г. (Мичъл получава Нобелова награда през 1978 г.). Мичъл откри, че потокът от електрони кара протоните да се изпомпват от митохондриите в заобикаляща среда, създавайки протонен градиент през мембраната (рН на външния разтвор намалява). Тъй като протоните са положително заредени частици, поради изпомпването им от митохондриите, на мембраната възниква разлика в електрическия потенциал (минус - вътре) и рН разлика (по-високо - вътре). Заедно, електрически и концентрационни градиентисъставляват (според Мичъл) протонната движеща сила, която е източник на енергия за синтеза на АТФ (фиг. 33).

Ориз. 33.Схема на синтеза на АТФ във вътрешния
митохондриална мембрана

Протонната движеща сила задвижва АТФ синтазните комплекси, които използват потока от електрони, за да синтезират АТФ от АДФ и фосфора, са специализирани протонни канали (гъбовидни издатини, които покриват вътрешната повърхност на кристалите). Комплексът е представен от два взаимосвързани компонента F 0 F 1, всеки от които се състои от няколко протеинови молекули. F 0 е вдлъбнат в мембраната, а F 1 е разположен на нейната повърхност. Именно във F1 се синтезира АТФ, докато F0 изпълнява функцията на самия протонен канал (фиг. 34).

Фигура 34.Схематично представяне на "гъбената" структура на F 0 F 1 АТФ синтетаза от E. coli. Компонентът F 0 прониква през мембраната, образувайки канал за протони. Предполага се, че F 1 се състои от три a и три b субединици, организирани така, че да образуват хексамерна структура като "шапка на гъба", и една g, една d и една e субединици, които образуват "пръчка", свързваща F 0 към F 1 канал

Не е известно как точно се генерира АТФ чрез АТФ синтетаза. Според една теория по време на транслокацията на протони чрез фактора F0 настъпват конформационни промени в компонента F1, който синтезира АТФ от АДФ и фосфор.

За всяка двойка електрони, прехвърлени от NADH към кислорода, има 10 протона, изпомпвани от митохондриалната матрица. Така окислението на 1 молекула NADH води до синтеза на 2,5 молекули АТФ, а окислението на 1 молекула FADH 2 води до синтеза на 1,5 молекули АТФ. Преди това се смяташе, че се синтезират съответно три и две молекули АТФ. Тези количества обикновено се наричат P/O съотношения, тъй като прехвърлянето на 2 електрона е еквивалентно на редукция на 1 кислороден атом.

Добивът на АТФ по време на окисляването на глюкозна молекула до CO 2 и H 2 O.

Гликолизата произвежда 2 ATP молекули (4 се произвеждат, но 2 се изразходват). При гликолизата в цитоплазмата се образуват и 2 молекули NADH на 1 молекула глюкоза. 2 молекули АТФ се образуват в цикъла на лимонената киселина (от 1 молекула глюкоза се образуват 2 молекули ацетил-КоА, задействайки две завъртания на цикъла).

За всяка 1 молекула глюкоза пируват дехидрогеназата произвежда 2 молекули NADH, а цикълът на лимонената киселина произвежда 6 молекули NADH. Окисляването им води до синтеза на 20 АТФ молекули. Още три ATP молекули се образуват поради окисляването на FADH 2 по време на превръщането на сукцината във фумарат.

Общото производство на ATP молекули ще зависи от това кой совалков механизъм (глицерофосфат и малат аспартат) се използва от клетките за доставяне на NADH към дихателната верига. В механизма на глицерол фосфата електроните от NADH се прехвърлят към дихидроксиацетон фосфат, за да се образува глицерол-3-фосфат, който пренася електрони към дихателната верига (фиг. 35). Това се случва с участието на ензима глицерол-3-фосфат дехидрогеназа. С помощта на цитоплазмения NADH се възстановява митохондриалната FAD, която е простетична група на флавопротеина - глицерол-3-фосфат дехидрогеназа.

Ориз. 35.Совалков механизъм на глицерол фосфат

Друга совалкова система, малат-аспартатната система, пренася електрони от цитоплазмения NADH към митохондриалния NAD + (фиг. 36). Това води до образуването на митохондриален NADH, който се окислява допълнително в електронтранспортната верига. В цитоплазмата NADH редуцира оксалоацетата до малат. Последният, с помощта на носител, навлиза в митохондриите, където се реоксидира в оксалоацетат с редукция на NAD +. Самият оксалоацетат не може да напусне митохондриите, така че първо се превръща в аспартат, който се транспортира от носителя в цитоплазмата. В цитоплазмата аспартатът се дезаминира, превръщайки се в оксалоацетат и по този начин затваря механизма на совалката.

Фиг.36.Малат-аспартатна совалкова система за пренос на електрони

Система от структурно и функционално свързани трансмембранни протеини и носители на електрони. Позволява ви да съхранявате енергията, освободена по време на окисляването на NAD*H и FADH2 от молекулярен кислород под формата на трансмембранен протонен потенциал, дължащ се на последователния трансфер на електрон по веригата, съчетан с изпомпването на протони през мембраната. Транспортната верига при еукариотите е локализирана върху вътрешната митохондриална мембрана. В дихателната верига има 4 мултиензимни комплекса. Има и друг комплекс, който не участва в преноса на електрони, но синтезира АТФ.

1-ви - КоА оксидоредуктаза.

1.Приема електрони от NADH и ги прехвърля към коензим Q (убихинон). 2.Пренася 4 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

2nd-FAD-зависими дехидрогенази.

1. Намаляване на FAD чрез цитохром с оксидоредуктаза.

2.Получава електрони от коензим Q и ги прехвърля към цитохром c.

3.Пренася 2 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

4-та цитохром с-кислородна оксидоредуктаза.

1. Приема електрони от цитохром с и ги прехвърля на кислород, за да образува вода.

2.Пренася 4 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана. Всички водородни атоми, отцепени от субстрати от дехидрогенази при аеробни условия, достигат до вътрешната митохондриална мембрана като част от NADH или FADH2.

Докато електроните се движат, те губят енергия -> енергията се изразходва от комплексите за изпомпване на Н-йони в строго определени области -> области на конюгация: Произвежда се АТФ: йоните на Н+ губят своята енергия, преминавайки през АТФ-синтазата. Част от тази енергия, изразходвана за синтеза на АТФ. Другата част се разсейва като топлина.

Митохондриалната респираторна верига се състои от 5 мултиензимни комплекса, чиито субединици са кодирани от ядрени и митохондриални гени. Коензим Q10 и цитохром c участват в транспорта на електрони. Електроните идват от NAD*H и FAD"H молекулите и се транспортират по дихателната верига. Освободената енергия се използва за транспортиране на протони към външната мембрана на митохондриите, а полученият електрохимичен градиент се използва за синтезиране на АТФ, използвайки комплекс V на митохондриална дихателна верига

44. Последователност и структура на електронните преносители в дихателната верига

1 комплекс. NADH-CoQ оксидоредуктаза

Този комплекс има и работното наименование NADH дехидрогеназа, съдържа FMN (флавин мононуклеотид), 22 протеинови молекули, от които 5 са желязо-сярни протеини с обща молекулно теглодо 900 kDa.

Приема електрони от NADH и ги прехвърля към коензим Q (убихинон).

Пренася 4 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

2 комплекс. FAD-зависими дехидрогенази

Той включва FAD-зависими ензими, разположени на вътрешната мембрана - например ацил-SCoA дехидрогеназа (окисляване на мастни киселини), сукцинат дехидрогеназа (цикъл на трикарбоксилна киселина), митохондриална глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (NADH совалка в митохондриите) .

Намаляване на FAD при редокс реакции.

Осигуряване на пренос на електрони от FADN2 към желязо-сярни протеини на вътрешната митохондриална мембрана. След това тези електрони отиват към коензим Q.

46. Биохимични механизми на разделяне на окисление и фосфорилиране, фактори, които ги причиняватРазединяване на дишането и фосфорилирането

Някои химикали (протонофори) могат да транспортират протони или други йони (йонофори) от междумембранното пространство през мембраната в матрицата, заобикаляйки протонните канали на АТФ синтазата. В резултат на това електрохимичният потенциал изчезва и синтезът на АТФ спира. Това явление се нарича разединяване на дишането и фосфорилирането. В резултат на разединяването количеството на АТФ намалява и ADP се увеличава. В този случай скоростта на окисление на NADH и FADH2 се увеличава и количеството на абсорбирания кислород също се увеличава, но енергията се освобождава под формата на топлина и съотношението P/O рязко намалява. Като правило разединителите са липофилни вещества, които лесно преминават през липидния слой на мембраната. Едно от тези вещества е 2,4-динитрофенол (фиг. 6-17), който лесно преминава от йонизирана форма в нейонизирана, като прикрепя протон в междумембранното пространство и го прехвърля в матрицата.

Примери за разединители могат да бъдат и някои лекарства, например дикумарол - антикоагулант (вижте раздел 14) или метаболити, които се образуват в тялото, билирубин - продукт на катаболизъм (вижте раздел 13), тироксин - хормон на щитовидната жлеза (вижте раздел 11). Всички тези вещества проявяват разединяващ ефект само при високи концентрации.

Изключването на фосфорилирането при изчерпване на ADP или неорганичен фосфат е придружено от инхибиране на дишането (ефект на респираторен контрол). Голямо числоефекти, които увреждат митохондриалната мембрана, нарушават свързването между окисление и фосфорилиране, позволявайки трансфер на електрони да се осъществи дори при липса на синтез на АТФ (ефект на разединяване)

1. Обща продукция:

За да се синтезира 1 молекула АТФ, са необходими 3 протона.

2. Инхибитори на окислителното фосфорилиране:

Инхибиторите блокират V комплекса:

Олигомицин - блокира протонните канали на АТФ синтазата.

Атрактилозид, циклофилин - блокират транслоказите.

3. Разединители на окислителното фосфорилиране:

Разединителите са липофилни вещества, които са в състояние да приемат протони и да ги прехвърлят през вътрешната мембрана на митохондриите, заобикаляйки V комплекса (неговия протонен канал). Разединители:

Натурални - продукти на липидна пероксидация, дълговерижни мастни киселини; големи дози хормони на щитовидната жлеза.

Изкуствени - динитрофенол, етер, производни на витамин К, анестетици.