Oglašavanje na portalu

Lanac transporta vodika i elektrona (respiratorni lanac). Kompleksi za prijenos elektrona. Oksidativna fosforilacija. Hemiosmotska teorija oksidacije i fosforilacije. Mehanizmi za povezivanje procesa transporta elektrona sa formiranjem ATP-a. Respiratorni

Oksidativna fosforilacija

Mehanizam oksidativne fosforilacije prvi je predložio Peter Mitchell. Prema ovoj hipotezi, prijenos elektrona koji se odvija na unutrašnjoj mitohondrijskoj membrani uzrokuje pumpanje H+ jona iz mitohondrijalnog matriksa u intermembranski prostor. Ovo stvara gradijent koncentracije H+ jona između citosola i zatvorenog intramitohondrijalnog prostora. Joni vodika se normalno mogu vratiti u mitohondrijalni matriks na samo jedan način - preko posebnog enzima koji formira ATP - ATP sintazu.

Prema modernim konceptima, unutrašnja mitohondrijska membrana sadrži niz multienzimskih kompleksa, uključujući mnoge enzime. Ovi enzimi se nazivaju respiratorni enzimi, a redoslijed njihove lokacije u membrani naziva se respiratorni lanac (lanac transporta elektrona).

Opći princip oksidativne fosforilacije


Općenito, rad respiratornog lanca je sljedeći:

  1. NADH i FADH 2 koji nastaju u reakcijama katabolizma prenose atome vodika (tj. vodonikove protone i elektrone) do enzima respiratornog lanca.
  2. Elektroni se kreću kroz enzime respiratornog lanca i gube energiju.
  3. Ova energija se koristi za pumpanje H+ protona iz matrice u intermembranski prostor.
  4. Na kraju respiratornog lanca, elektroni udaraju kisik i pretvaraju ga u vodu.
  5. H+ protoni jure nazad u matriks i prolaze kroz ATP sintazu.
  6. Istovremeno gube energiju koja se koristi za sintezu ATP-a.

Tako se reducirani oblici NAD i FAD oksidiraju enzimima respiratornog lanca, zbog čega se ADP-u dodaje fosfat, odnosno fosforilacija. Stoga se cijeli proces naziva oksidativna fosforilacija.

Gdje se indukuje protonski potencijal? Protonski potencijal se pretvara u energiju pomoću ATP sintaze hemijske veze ATP. Konjugirani rad ETC i ATP sintaze naziva se oksidativna fosforilacija.

U eukariotskim mitohondrijama, lanac transporta elektrona počinje oksidacijom NADH i redukcijom ubikinona Q kompleksom I. Zatim, kompleks II oksidira sukcinat u fumarat i reducira ubikinon Q. Ubikinon Q oksidira i reducira kompleks citokroma c III. Na kraju lanca, kompleks IV katalizira prijenos elektrona sa citokroma c na kisik da bi se formirala voda. Kao rezultat reakcije, na svakih konvencionalno oslobođenih 6 protona i 6 elektrona oslobađaju se 2 molekula vode zbog trošenja 1 molekula O2 i 10 molekula NAD∙H.

Kompleks I ili kompleks NADH dehidrogenaze oksidira NAD-H. Ovaj kompleks igra centralnu ulogu u procesima ćelijskog disanja i. Skoro 40% gradijenta protona za sintezu ATP-a stvara ovaj kompleks. Kompleks I oksidira NADH i reducira jedan molekul ubikinona koji se oslobađa u membranu. Za svaki oksidirani NADH molekul, kompleks prenosi četiri protona preko membrane. Kompleks NADH dehidrogenaze uzima dva elektrona iz njega i prenosi ih na ubikinon. Ubikinon je rastvorljiv u lipidima. Ubikinon unutar membrane difundira u kompleks III. U isto vrijeme, kompleks I pumpa 2 protona i 2 elektrona iz matriksa u mitohondrije.

Lanac transporta elektrona kompleksa I. Sive strelice - malo vjerojatan ili sada nefunkcionalan transportni put

N5 klaster ima vrlo nizak potencijal i ograničava brzinu ukupnog protoka elektrona kroz lanac. Umjesto uobičajenih liganada za željezo-sumporne centre (četiri cisteinska ostatka), koordiniraju ga tri cisteinska ostatka i jedan histidinski ostatak, a također je okružen nabijenim polarnim ostacima, iako se nalazi duboko u enzimu.

Klaster N7 prisutan je samo u kompleksu I nekih bakterija. Značajno je udaljen od ostalih klastera i ne može s njima razmjenjivati ​​elektrone, tako da je očigledno relikt. U nekim bakterijskim kompleksima povezanim s kompleksom I, četiri konzervirana cisteinska ostatka pronađena su između N7 i ostalih klastera, a u bakterijskom kompleksu I Aquifex aeolicus otkriven je dodatni Fe 4 S 4 klaster koji povezuje N7 sa preostalim klasterima. Iz ovoga proizilazi da A. aeolicus kompleks I, pored NADH, može koristiti još jedan donor elektrona, koji ih prenosi preko N7.

Kompleks NADH dehidrogenaze oksidira NADH formiran u matriksu tokom ciklusa trikarboksilne kiseline. Elektroni iz NADH se koriste za obnavljanje membranskog transportera, ubikinona Q, koji ih prenosi do sljedećeg kompleksa mitohondrijalnog lanca transporta elektrona, kompleksa III ili citokroma. bc 1-kompleks.

Kompleks NADH dehidrogenaze radi kao protonska pumpa: za svaki oksidirani NADH i smanjeni Q, četiri protona se pumpaju kroz membranu u međumembranski prostor:

Elektrohemijski potencijal koji nastaje tokom reakcije koristi se za sintezu ATP-a. Reakcija katalizirana kompleksom I je reverzibilna, proces koji se naziva aerobna redukcija NAD+ izazvana sukcinatom. U uslovima visokog membranskog potencijala i viška redukovanih ubikvinola, kompleks može smanjiti NAD+ koristeći svoje elektrone i protone vratiti u matriks. Ovaj fenomen se obično javlja kada ima puno sukcinata, ali malo oksaloacetata ili malata. Redukciju ubikinona provode enzimi sukcinat dehidrogenaze, odnosno mitohondrijski. U visokim uslovima protonski gradijent afinitet kompleksa za ubikinol se povećava, a redoks potencijal ubikinola smanjuje zbog povećanja njegove koncentracije, što omogućava obrnuti transport elektrona duž električnog potencijala unutrašnje mitohondrijalne membrane do NAD. Ova pojava je uočena u laboratorijskim uslovima, ali nije poznato da li se javlja u živoj ćeliji.

U početnim fazama istraživanja kompleksa I, široko razmatran model bio je zasnovan na pretpostavci da u kompleksu funkcioniše sistem sličan onom. Međutim, kasnije studije nisu pronašle nikakve intrinzično vezane kinone u kompleksu I i potpuno su odbacile ovu hipotezu.

Čini se da kompleks NADH dehidrogenaze ima jedinstven mehanizam za transport protona kroz konformacijske promjene u samom enzimu. ND2, ND4 i ND5 podjedinice se nazivaju antiport-like jer su homologne jedna drugoj i bakterijskim Mrp Na + /H + antiportovima. Ove tri podjedinice formiraju tri glavna protonska kanala, koji se sastoje od konzerviranih nabijenih aminokiselinskih ostataka (uglavnom lizina i glutamata). Četvrti protonski kanal formiran je od dijela podjedinice Nqo8 i malih podjedinica ND6, ND4L i ND3. Kanal je po strukturi sličan sličnim kanalima antiportnih podjedinica, ali sadrži neobično veliki broj gusto zbijenih ostataka glutamata na strani matriksa, zbog čega se naziva E-kanal (latinsko E se koristi kao standard oznaka za glutamat). Od C-terminusa podjedinice ND5 proteže se produžetak koji se sastoji od dva transmembranska spirala povezana neobično dugačkom (110 Å) α-heliksom (HL), koja, prolazeći duž matriks okrenute strane kompleksa, fizički povezuje sva tri podjedinice nalik antiportu, i moguće uključene u spajanje transporta elektrona s konformacijskim preuređivanjem. Drugi spojni element, βH, formiran je nizom preklapajućih i α-heliksa i nalazi se na suprotnoj, periplazmatskoj strani kompleksa. Još uvijek je potpuno nepoznato kako je točno transport elektrona povezan s prijenosom protona. Vjeruje se da snažan negativni naboj N2 klastera može odgurnuti okolne polipeptide, uzrokujući konformacijske promjene koje se na neki način šire na sve podjedinice slične antiportima koje se nalaze prilično udaljene jedna od druge. Druga hipoteza sugerira da konformacijska promjena uzrokuje da neobično dugo mjesto vezivanja ubikinona stabilizira ubikinol Q-2 s ekstremno niskim redoks potencijalom i negativnim nabojem. Mnogi detalji kinetike konformacijskih promjena i povezanog transporta protona ostaju nepoznati.

Najviše proučavan inhibitor kompleksa I je rotenon (koji se široko koristi kao organski pesticid). Rotenon i rotenoidi su izoflavonoidi koji su prisutni u korijenu nekoliko tropskih biljnih rodova kao npr. Antonia (Loganiaceae), Derris I Lonchocarpus (Fabaceae). Rotenon se dugo koristio kao insekticid i otrov za ribe, jer su mitohondriji insekata i riba posebno osjetljivi na njega. Poznato je da su starosjedioci Francuske Gvajane i drugi južnoamerički Indijanci koristili biljke koje sadrže rotenon za ribolov još u 17. stoljeću. Rotenon stupa u interakciju s mjestom vezivanja ubikinona i takmiči se s glavnim supstratom. Pokazalo se da dugotrajna sistemska inhibicija kompleksa I rotenonom može izazvati selektivnu smrt dopaminergičkih neurona (koji luče neurotransmiter dopamin). Piericidin A, drugi moćni inhibitor kompleksa I, strukturno sličan ubikinonu, djeluje na sličan način. U ovu grupu spada i natrijum amital, derivat barbiturne kiseline.

Uprkos više od 50 godina proučavanja kompleksa I, nije bilo moguće otkriti inhibitore koji blokiraju prijenos elektrona unutar kompleksa. Hidrofobni inhibitori kao što su rotenon ili piericidin jednostavno prekidaju prijenos elektrona iz terminalnog N2 klastera u ubikinon.

Druga supstanca koja blokira kompleks I je adenozin difosfat riboza, u reakciji oksidacije NADH. Veže se za enzim na mjestu vezivanja nukleotida (FAD).

Neki od najjačih inhibitora kompleksa I uključuju porodicu acetogenina. Pokazalo se da ove supstance formiraju hemijske poprečne veze sa ND2 podjedinicom, što indirektno ukazuje na ulogu ND2 u vezivanju ubikinona. Zanimljivo je napomenuti da je acetogenin rolliniastatin-2 bio prvi inhibitor kompleksa I za koji je otkriveno da se veže na mjestu koje nije rotenon.

Antidijabetički lijek metformin ima umjereno inhibitorno djelovanje; Očigledno, ovo svojstvo lijeka leži u osnovi mehanizma njegovog djelovanja.

Elektroni iz sukcinata se prvo prenose u FAD, a zatim preko Fe-S klastera u Q. Transport elektrona u kompleksu nije praćen stvaranjem protonskog gradijenta. 2H+ nastao tokom oksidacije sukcinata ostaje na istoj strani membrane, odnosno u matriksu, a zatim se reapsorbuje tokom redukcije kinona. Dakle, kompleks II ne doprinosi stvaranju gradijenta protona preko membrane i djeluje samo kao transporter elektrona od sukcinata do ubikinona.

Kao rezultat oksidacije sukcinata, njegovi elektroni se prenose na FAD, a zatim se prenose duž lanca klastera željezo-sumpor od klastera do klastera. Tamo se ovi elektroni prenose na molekul ubikinona koji čeka na mjestu vezivanja.

Postoji i pretpostavka da, kako bi se spriječilo da elektron direktno dođe iz klastera u hem, radi poseban mehanizam kapije. Vjerovatni kandidat za kapiju je histidin -207 podjedinice B, koji se nalazi direktno između klastera gvožđe-sumpor i hema, blizu vezanog ubikinona, i može da kontroliše protok elektrona između ovih redoks centara.

Postoje dvije klase inhibitora kompleksa II: neki blokiraju džep za vezivanje sukcinata, a drugi blokiraju džep koji se vezuje za ubikinol. Inhibitori koji oponašaju ubikinol uključuju karboksin i tenoiltrifluoroaceton. Inhibitori-analozi sukcinata uključuju sintetičko jedinjenje malonat, kao i komponente Krebsovog ciklusa, malat i oksaloacetat. Zanimljivo je da je oksaloacetat jedan od najjačih inhibitora kompleksa II. Zašto zajednički metabolit ciklusa trikarboksilne kiseline inhibira kompleks II ostaje nejasno, iako se sugerira da bi stoga mogao imati zaštitnu ulogu minimizirajući obrnuti transport elektrona u kompleksu I, što rezultira stvaranjem superoksida.

Inhibitori koji oponašaju ubikinol korišćeni su kao fungicidi u poljoprivreda od 1960-ih. Na primjer, karboksin se prvenstveno koristio za bolesti uzrokovane bazidiomicetama, kao što su rđa stabljike i bolesti bazidiomiceta. Rhizoctonia. Nedavno su zamijenjeni drugim spojevima sa širim spektrom potisnutih patogena. Takva jedinjenja uključuju boskalid, pentiopirad i fluopiram. Neke gljive važne za poljoprivredu nisu podložne djelovanju ove nove generacije inhibitora.

Citokrom-bc1-kompleks (citokromski kompleks bc 1) ili ubikinol-citokrom c-oksidoreduktaza, ili kompleks III - multiproteinski kompleks respiratornog lanca transporta elektrona i najvažniji biohemijski generator protonskog gradijenta na mitohondrijalnoj membrani. Ovaj multiproteinski transmembranski kompleks kodiran je od strane mitohondrija (citokrom b) i nuklearni genomi.

citokrom- bs 1-kompleks oksidira reducirani ubikinon i reducira citokrom c (E°"=+0,25 V) prema jednadžbi:

Transport elektrona u kompleksu povezan je s prijenosom protona iz matriksa (in) u intermembranski prostor (out) i stvaranjem protonskog gradijenta na mitohondrijalnoj membrani. Za svaka dva elektrona koji prolaze kroz transportni lanac od ubikinona do citokroma c, dva protona se apsorbuju iz matriksa, a još četiri se oslobađaju u intermembranski prostor. Redukovani citokrom c kreće se duž membrane u vodenoj frakciji i prenosi jedan elektron na sljedeći respiratorni kompleks, citokrom oksidazu.

Događaji koji se dešavaju poznati su kao Q-ciklus, koji je postulirao Peter Mitchell 1976. Princip Q-ciklusa je da prijenos H+ preko membrane nastaje kao rezultat oksidacije i redukcije kinona na samom kompleksu. U ovom slučaju, kinoni selektivno daju i uzimaju 2H+ iz vodene faze različite strane membrane.

Struktura kompleksa III ima dva centra, odnosno dva „džepa“, u koja se mogu vezati kinoni. Jedan od njih, Q out centar, nalazi se između klastera željezo-sumpor 2Fe-2S i hema b L blizu vanjske strane membrane, okrenut prema intermembranskom prostoru. U ovom džepu se vezuje redukovani ubikinon (QH 2). Drugi, Q u džepu, dizajniran je da veže oksidirani ubikinon (Q) i nalazi se blizu unutrašnje (unutrašnje) strane membrane u kontaktu sa matriksom.

Neophodan i paradoksalan uslov za rad Q-ciklusa je činjenica da su životni vek i stanje semikinona u dva centra vezivanja različiti. U Q out centru, Q je nestabilan i djeluje kao jak redukcijski agens sposoban da donira e - hemu s niskim potencijalom. Relativno dugovječni Q − formira se u Q u centru, čiji potencijal mu omogućava da djeluje kao oksidacijsko sredstvo, prihvatajući elektrone iz hema b H. Druga ključna tačka Q-ciklusa povezana je sa divergencijom dva elektrona uključena u kompleks duž dva različita puta. Proučavanje kristalne strukture kompleksa pokazalo je da se položaj centra 2Fe-2S u odnosu na druge redoks centre može pomjeriti. Pokazalo se da Rieske protein ima mobilnu domenu, na kojoj se zapravo nalazi klaster 2Fe-2S. Prihvatajući elektron i bivajući reduciran, centar 2Fe-2S mijenja svoj položaj, udaljavajući se od Q out centra i hema b L za 17 sa rotacijom od 60° i time se približava citokromu c. Dajući elektron citokromu, centar 2Fe-2S se, naprotiv, približava Q out centru da bi uspostavio bliži kontakt. Tako funkcionira neka vrsta šatla, koji garantuje da drugi elektron ide u hemove b L i b H. Za sada, ovo je jedini primjer gdje je transport elektrona u kompleksima povezan s mobilnim domenom u strukturi proteina.

Mali dio elektrona napušta transportni lanac prije nego što stigne do Kompleksa IV. Konstantno curenje elektrona do kisika rezultira stvaranjem superoksida. Ova mala nuspojava dovodi do stvaranja čitavog spektra reaktivnih kisikovih vrsta, koje su vrlo toksične i igraju značajnu ulogu u razvoju patologija i starenju). Elektronsko curenje se uglavnom dešava na Q na lokaciji. Ovaj proces potiče antimicin A. Blokira hemove b u reduciranom stanju, sprečavajući ih da odbace elektrone na semikinon Q, što zauzvrat dovodi do povećanja njegove koncentracije. Semikinon reagira s kisikom, što dovodi do stvaranja superoksida. Nastali superoksid ulazi u mitohondrijski matriks i međumembranski prostor, odakle može ući u citosol. Ova činjenica se može objasniti činjenicom da Kompleks III vjerovatno proizvodi superoksid u obliku nenabijenog HOO, koji može lakše prodrijeti kroz vanjsku membranu u odnosu na nabijeni superoksid (O 2 -).

Neke od ovih supstanci se koriste kao fungicidi (kao što su derivati ​​strobilurina, od kojih je najpoznatiji azoksistrobin, inhibitor Q ext mjesta) i antimalarici (atovaquone).

Citokrom c oksidaza (citokrom oksidaza) ili citokrom c kisik oksidoreduktaza, također poznata kao citokrom aa 3 i kompleks IV, je terminalna oksidaza aerobnog respiratornog transportnog lanca elektrona koji katalizira prijenos elektrona iz citokroma With do kiseonika da bi se formirala voda. Citokrom oksidaza je prisutna u unutrašnjoj membrani mitohondrija svih eukariota, gdje se obično naziva kompleks IV, kao i u ćelijskoj membrani mnogih aerobnih bakterija.

Kompleks IV sekvencijalno oksidira četiri molekula citokroma c i, prihvatajući četiri elektrona, redukuje O 2 u H 2 O. Tokom redukcije O 2, četiri H + su zarobljene iz

Enzimi transportnog lanca elektrona fiksirani su u mitohondrijalnoj membrani na način da je njihovo djelovanje vektorsko, tj. karakterizirano ne samo veličinom brzine reakcije, već i prostornim smjerom, slično djelovanju transportnih ATPaza. . Glavna manifestacija vektoriranja u respiratornom lancu je prijenos vodonikovih jona sa unutrašnje strane membrane (sa matriksne strane) na vanjsku stranu (u intermembranski prostor).

Postoje tri tačke u respiratornom lancu povezane sa pumpanjem protona: kompleksi I, III i IV.
Koenzim Q, uz učešće NADH dehidrogenaze (kompleks I), vezuje elektrone (kao i protone) iz komponenti respiratornog lanca na matriksnoj strani membrane, a elektroni i protoni se oslobađaju na suprotnoj strani membrane. , a elektrone prihvata sljedeća komponenta respiratornog lanca, a protoni odlaze u prostor međumembranskog prostora. Ovaj mehanizam se naziva Q-ciklus. Citokrom c reduktaza (kompleks III) djeluje na sličan način. U području citokrom oksidaze (kompleks IV), Cu2+ joni mogu biti uključeni u protonsko pumpanje.
Prijenos dva elektrona kroz svaki kompleks omogućava pumpanje četiri protona. Dakle, lanac transporta elektrona djeluje kao protonska pumpa, pumpajući vodikove ione iz matrice na vanjsku stranu membrane.
Kao rezultat toga, pojavljuje se razlika u koncentraciji protona na stranama membrane i, u isto vrijeme, razlika u električnim potencijalima sa znakom plus na vanjskoj površini. Drugim riječima, energija razlike u redoks potencijalu tvari pretvara se u energiju protonskog elektrohemijskog potencijala ArH+.
Elektrohemijski potencijal tjera protone da se kreću u suprotnom smjeru - od vanjske površine prema unutra. ATP sintetaza je vrlo veliki oligomerni protein, u kojem se razlikuju tri dijela: dio koji strši u mitohondrijalni matriks (F1), izgrađen od tri para sf dimera; transmembranski dio (F0), koji formira hidrofilni kanal, i međuregion FA. Podjedinica F1 sadrži aktivna mjesta koja sintetiziraju ATP. Protoni se kreću kroz kanal ATP sintaze, a energija iz tog kretanja se koristi za formiranje ATP-a. Specifični mehanizmi spajanja, odnosno transformacije elektrohemijskog potencijala u energiju makroergijske veze ATP-a, još uvek nisu sasvim jasni.
Nastali ATP, uz učešće ADP-ATP translokaze, transportuje se iz matriksa na vanjsku stranu membrane i ulazi u citosol. Istovremeno, ista translokaza prenosi ADP u suprotnom smjeru, iz citosola u mitohondrijski matriks.
U veštačkim uslovima, u in vitro eksperimentima, moguće je stvoriti višak ATP-a sa unutrašnje površine unutrašnje membrane. U ovom slučaju, reakcija se odvija s desna na lijevo, tj. enzim radi kao transportna ATPaza koja prenosi protone (H+-ATPaza). U ovom slučaju, membrana je pod naponom: ArH+ nastaje zbog energije hidrolize ATP-a.

11.3.3.1. Nosači elektrona

Nosači elektrona nalaze se na površini ili duboko u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani, koja je raspoređena u križeve, čiji je broj i gustina pakiranja u korelaciji sa energetskim potrebama ćelije.

Mnogi nosači elektrona su proteini koji sadrže hem kao prostetičku grupu.

Svojstva molekula hema zavise od proteina za koji je vezan. Osim toga, hemovi u različitim citohromima mogu se razlikovati po strukturi bočnih grupa i načinu vezivanja za apoprotein. Stoga se citokromi mogu razlikovati u redoks potencijalima, iako svi imaju gotovo iste protetske grupe.

Nosioci elektrona nazivaju se citohromi jer su obojeni crvenom bojom. Različiti citokromi su označeni slovnim indeksima: s 1, s, a, a 3 – redoslijedom njihove lokacije u krugu.

Drugi tip nosača elektrona koji ne sadrži željezo uključuje proteine ​​u kojima su atomi željeza vezani za sulfhidrilne grupe ostataka proteina cisteina, kao i za sulfhidrilne anione ostataka, formirajući komplekse željezo-sumpor ili centre ( Slika 29).

Rice. 29. Struktura gvozdeno-sumpornog centra

Kao iu citohromima, atomi željeza u takvim centrima mogu prihvatiti i donirati elektrone, naizmjenično prelazeći u fero(Fe 2+) i feri(Fe 3+) stanja. Centri gvožđa i sumpora funkcionišu zajedno sa enzimima koji sadrže flavin, prihvatajući elektrone iz sukcinat dehidrogenaze i dehidrogenaze uključene u oksidaciju masti.

Drugi tip transportera je protein koji sadrži FMN. FMN (flavin adenin mononukleotid) je spoj koji je polovina flavina molekule FAD. FMN prenosi elektrone iz FADN u centre željezo-sumpor.

Svi proteinski nosači su integralni proteini koji zauzimaju strogo fiksiran položaj u membrani i orijentisani su na određeni način. Izuzetak je citokrom c, koji je labavo vezan za vanjsku membranu i lako je napušta.

Jedini neproteinski nosač elektrona je ubikinon, nazvan tako zato što je, s jedne strane, kinon, as druge, nalazi se svuda (od engl. sveprisutan– sveprisutan). Njegovo skraćeno ime je CoQ, UQ ili jednostavno Q. Svi gvožđe-sumporni centri doniraju elektrone ubihinonu.

Tokom redukcije, ubikinon ne dobija samo elektrone, već i protone (slika 30).

Fig.30. Ubikinon – koenzim Q (a)
i njegove redoks transformacije (b)

Jednoelektronskom redukcijom pretvara se u semikinon (organski slobodni radikal), a dvoelektronskom redukcijom pretvara se u hidrokinon. To je posredno formiranje slobodnog radikala koji omogućava ubikinonu da služi kao nosač ne dva, već jednog elektrona. Vrlo dugačak hidrofobni rep (40 atoma ugljika u deset uzastopnih izoprenoidnih ostataka) daje ubikinonu mogućnost da se lako ubaci i slobodno se kreće u nepolarnom sloju unutrašnje mitohondrijalne membrane.

11.3.3.2. Lokacija vektora

Protok elektrona između nosača usmjeren je od nosača s većim redukcijskim potencijalom (tj. nižim redoks potencijalom) do nosača sa nižim redukcijskim potencijalom (tj. oksidiranijim, sa većim redoks potencijalom) (slika 31).

Fig.31. Redox potencijali komponenti respiratornog lanca u mitohondrijama

U mitohondrijskom lancu transporteri imaju različite redoks potencijale.

Nosioci elektrona u lancu nalaze se u krugu tako da se DG 0 (slobodna energija) postepeno smanjuje, a redoks potencijal shodno tome raste. U svakom stupnju prijenosa elektrona na nosač koji je u blizini lanca, oslobađa se slobodna energija.

Tokom oksidacije glukoze, elektroni se prenose sa NADH i FADH 2 na kiseonik. Mnogi transporteri su uključeni u ovaj proces, ali se mogu grupirati u četiri kompleksa koji su ugrađeni u mitohondrijalnu membranu
(Sl. 32).

Rice. 32.Četiri kompleksa za transport elektrona
u mitohondrijalnoj membrani

Između kompleksa, elektroni se kreću zajedno sa mobilnim nosačima: ubikinon i citokrom c. Ubikinon prima elektrone iz kompleksa I i II i prenosi ih u kompleks III. Citokrom c služi kao posrednik između kompleksa III i IV. Kompleks I prenosi elektrone sa NADH na Q; kompleks II – od sukcinata preko FADN 2 do Q; kompleks III koristi QH 2 za redukciju citokroma c, a kompleks IV prenosi elektrone iz citokroma With za kiseonik. Kompleksi I, III i IV nazivaju se, respektivno, NADH-CoQ reduktaza, CoQH 2 -citokrom With-reduktaza i citokrom oksidaza. Kompleks IV - citokrom oksidaza - sastoji se od nekoliko proteina. Prima elektrone iz citokroma With na vanjskoj strani unutrašnje mitohondrijalne membrane. Na svom putu do kiseonika, ovi elektroni prolaze kroz citohrome A I a 3, koji sadrži atome bakra, koji se naizmjenično transformiraju u Cu + i Cu 2+ stanja. Citokrom oksidaza smanjuje slobodni kisik:

O 2 + 4 e - + 4H + ® 2H 2 O

11.3.3.3. Mitchell-ova hemiosmotska teorija

Transport elektrona duž respiratornog lanca dovodi do stvaranja ATP-a. Koncept mehanizma spajanja transporta elektrona sa sintezom ATP-a razvio je engleski biohemičar Peter Mitchell 1961. (Mitchell je dobio Nobelovu nagradu 1978.). Mitchell je otkrio da protok elektrona uzrokuje ispumpavanje protona iz mitohondrija u okruženje, stvarajući protonski gradijent preko membrane (pH vanjskog rastvora se smanjuje). Budući da su protoni pozitivno nabijene čestice, zbog njihovog ispumpavanja iz mitohondrija, na membrani nastaje razlika u električnom potencijalu (minus - unutra) i pH razlika (više - unutra). Zajedno, električni i gradijenti koncentraciječine (prema Mičelu) protonsku pokretačku silu, koja je izvor energije za sintezu ATP (slika 33).

Rice. 33.Šema sinteze ATP-a u unutrašnjosti
mitohondrijalnu membranu

Pokretna sila protona pokreće komplekse ATP sintaze, koji koriste protok elektrona da sintetiziraju ATP iz ADP-a i fosfora. Kompleks je predstavljen sa dvije međusobno povezane komponente F 0 F 1, od kojih se svaka sastoji od nekoliko proteinskih molekula. F 0 je udubljen u membranu, a F 1 se nalazi na njenoj površini. U F1 se sintetiše ATP, dok F0 obavlja funkciju samog protonskog kanala (slika 34).

Slika 34.Šematski prikaz strukture „pečurke“ F 0 F 1 ATP sintetaze iz E. coli. Komponenta F 0 prodire kroz membranu, formirajući kanal za protone. Pretpostavlja se da se F 1 sastoji od tri a i tri b podjedinice, organizovane tako da formiraju heksameričku strukturu poput “klobuka pečurke”, i jedne g, jedne d i jedne e podjedinice, koje formiraju “šip” koji povezuje F 0 na F 1 kanal

Nije poznato kako se ATP stvara putem ATP sintetaze. Prema jednoj teoriji, tokom translokacije protona preko F0 faktora dolazi do konformacionih promena u F1 komponenti koja sintetiše ATP iz ADP-a i fosfora.

Za svaki par elektrona prebačenih sa NADH na kiseonik, postoji 10 protona koji se ispumpavaju iz mitohondrijalnog matriksa. Dakle, oksidacija 1 molekule NADH dovodi do sinteze 2,5 molekula ATP-a, a oksidacija 1 FADH 2 molekula dovodi do sinteze 1,5 molekula ATP-a. Ranije se vjerovalo da su sintetizirana tri i dva ATP molekula. Ove količine se obično nazivaju P/O odnosima, jer je prijenos 2 elektrona ekvivalentan redukciji 1 atoma kisika.

Prinos ATP-a tokom oksidacije molekula glukoze u CO 2 i H 2 O.

Glikoliza proizvodi 2 ATP molekula (4 se proizvode, ali 2 se troše). Tokom glikolize u citoplazmi se formiraju i 2 molekula NADH na 1 molekul glukoze. U ciklusu limunske kiseline formiraju se 2 ATP molekula (od 1 molekula glukoze formiraju se 2 molekula acetil-CoA, pokrećući dva kruga ciklusa).

Za svaki 1 molekul glukoze, piruvat dehidrogenaza proizvodi 2 molekula NADH, a ciklus limunske kiseline proizvodi 6 molekula NADH. Njihova oksidacija dovodi do sinteze 20 molekula ATP-a. Još tri molekula ATP-a nastaju zbog oksidacije FADH 2 tokom konverzije sukcinata u fumarat.

Ukupni izlaz molekula ATP-a ovisit će o tome koji šatl mehanizam (glicerofosfat i malat aspartat) koriste ćelije za isporuku NADH u respiratorni lanac. U mehanizmu glicerol fosfata, elektroni iz NADH se prenose na dihidroksiaceton fosfat da bi se formirao glicerol-3-fosfat, koji prenosi elektrone u respiratorni lanac (slika 35). To se događa uz sudjelovanje enzima glicerol-3-fosfat dehidrogenaze. Uz pomoć citoplazmatskog NADH obnavlja se mitohondrijski FAD, koji je prostetska grupa flavoprotein - glicerol-3-fosfat dehidrogenaze.

Rice. 35. Glicerol fosfatni šatl mehanizam

Drugi šatl sistem, malat-aspartat sistem, prenosi elektrone iz citoplazmatskog NADH u mitohondrijski NAD + (slika 36). To dovodi do stvaranja mitohondrijalnog NADH, koji se dalje oksidira u lancu transporta elektrona. U citoplazmi NADH reducira oksaloacetat u malat. Potonji, uz pomoć nosača, ulazi u mitohondrije, gdje se reoksidira u oksaloacetat uz redukciju NAD+. Sam oksaloacetat ne može napustiti mitohondrije, pa se prvo pretvara u aspartat, koji se prenosilac prenosi u citoplazmu. U citoplazmi se aspartat deaminira, pretvarajući se u oksaloacetat i na taj način zatvarajući mehanizam šatla.

Fig.36. Malat-aspartat shuttle sistem za prijenos elektrona

Sistem strukturno i funkcionalno povezanih transmembranskih proteina i nosača elektrona. Omogućava vam da pohranite energiju oslobođenu tokom oksidacije NAD*H i FADH2 molekularnim kisikom u obliku transmembranskog protonskog potencijala zbog sekvencijalnog prijenosa elektrona duž lanca, zajedno s pumpanjem protona kroz membranu. Transportni lanac kod eukariota je lokaliziran na unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. U respiratornom lancu postoje 4 multienzimska kompleksa. Postoji još jedan kompleks koji nije uključen u prijenos elektrona, ali sintetizira ATP.

1. - CoA oksidoreduktaza.

1.Prihvata elektrone iz NADH i prenosi ih na koenzim Q (ubikinon). 2.Prenosi 4 H+ jona na vanjsku površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane.

2nd-FAD zavisne dehidrogenaze.

1. Redukcija FAD-a citokrom c oksidoreduktazom.

2.Prima elektrone od koenzima Q i prenosi ih na citokrom c.

3. Prenosi 2 H+ jona na vanjsku površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane.

4.-citokrom c-oksigen oksidoreduktaza.

1.Prihvata elektrone iz citokroma c i prenosi ih na kisik da bi se formirala voda.

2.Prenosi 4 H+ jona na vanjsku površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane. Svi atomi vodonika odcijepljeni sa supstrata dehidrogenazama u aerobnim uvjetima dospiju do unutrašnje mitohondrijalne membrane kao dio NADH ili FADH2.

Kako se elektroni kreću, oni gube energiju -> energiju troše kompleksi na pumpanje H protona. Prijenos H iona se događa u strogo određenim područjima -> Konjugacijskim područjima. Dio ove energije troši se na sintezu ATP-a. Drugi dio se rasipa kao toplina.

Mitohondrijski respiratorni lanac sastoji se od 5 multienzimskih kompleksa, čije su podjedinice kodirane i nuklearnim i mitohondrijalnim genima. Koenzim Q10 i citokrom c uključeni su u transport elektrona. Elektroni dolaze iz NAD*H i FAD"H molekula i transportuju se duž respiratornog lanca. Oslobođena energija se koristi za transport protona do vanjske membrane mitohondrija, a rezultirajući elektrohemijski gradijent se koristi za sintezu ATP-a koristeći kompleks V od mitohondrijalnog respiratornog lanca

44. Redoslijed i struktura nosača elektrona u respiratornom lancu

1 kompleks. NADH-CoQ oksidoreduktaza

Ovaj kompleks ima i radni naziv NADH dehidrogenaza, sadrži FMN (flavin mononukleotid), 22 proteinska molekula, od kojih su 5 gvožđe-sumporni proteini sa zajedničkim molekularna težina do 900 kDa.

Prihvata elektrone iz NADH i prenosi ih na koenzim Q (ubikinon).

Prenosi 4 H+ jona na vanjsku površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane.

2 kompleks. FAD zavisne dehidrogenaze

Uključuje FAD-ovisne enzime smještene na unutrašnjoj membrani - na primjer, acil-SCoA dehidrogenazu (oksidacija masnih kiselina), sukcinat dehidrogenazu (ciklus trikarboksilne kiseline), mitohondrijalnu glicerol-3-fosfat dehidrogenazu (NADH transfer u mitohondrije).

Smanjenje FAD-a u redoks reakcijama.

Osiguravanje prijenosa elektrona sa FADH2 na željezo-sumporne proteine ​​unutrašnje mitohondrijalne membrane. Ovi elektroni zatim idu u koenzim Q.

46. ​​Biohemijski mehanizmi razdvajanja oksidacije i fosforilacije, faktori koji ih uzrokuju Razdvajanje disanja i fosforilacije

Neke hemikalije (protonofori) mogu transportovati protone ili druge jone (jonofore) iz intermembranskog prostora kroz membranu u matriks, zaobilazeći protonske kanale ATP sintaze. Kao rezultat toga, elektrohemijski potencijal nestaje i sinteza ATP-a prestaje. Ova pojava se zove razdvajanje disanja i fosforilacije. Kao rezultat razdvajanja, količina ATP-a se smanjuje, a ADP povećava. U ovom slučaju se povećava brzina oksidacije NADH i FADH2, a povećava se i količina apsorbiranog kisika, ali se energija oslobađa u obliku topline, a P/O omjer naglo opada. U pravilu, rastavljači su lipofilne tvari koje lako prolaze kroz lipidni sloj membrane. Jedna od ovih supstanci je 2,4-dinitrofenol (Sl. 6-17), koji lako prelazi iz jonizovanog oblika u nejonizovani, vezujući proton u međumembranskom prostoru i prenosi ga u matriks.

Primjeri odvajača mogu biti i neki lijekovi, na primjer, dikumarol - antikoagulant (vidi odjeljak 14) ili metaboliti koji se stvaraju u tijelu, bilirubin - produkt katabolizma (vidi odjeljak 13), tiroksin - hormon štitnjače (vidi odjeljak 11). Sve ove supstance pokazuju efekat razdvajanja samo u visokim koncentracijama.

Isključivanje fosforilacije nakon iscrpljivanja ADP-a ili neorganskog fosfata je praćeno inhibicijom disanja (efekat kontrole disanja). Veliki broj efekti koji oštećuju mitohondrijsku membranu ometaju spregu između oksidacije i fosforilacije, omogućavajući prijenos elektrona čak iu odsustvu sinteze ATP-a (efekat odvajanja)

1. Ukupni učinak:

Za sintetizaciju 1 ATP molekule potrebna su 3 protona.

2. Inhibitori oksidativne fosforilacije:

Inhibitori blokiraju V kompleks:

Oligomicin - blokira protonske kanale ATP sintaze.

Atraktilozid, ciklofilin - blok translokaze.

3. Rastavljači oksidativne fosforilacije:

Razdvojivači su lipofilne tvari koje su u stanju prihvatiti protone i prenijeti ih kroz unutrašnju membranu mitohondrija, zaobilazeći V kompleks (njegov protonski kanal). rastavljači:

Prirodni - proizvodi peroksidacije lipida, dugolančane masne kiseline; velike doze hormona štitnjače.

Vještački - dinitrofenol, etar, derivati ​​vitamina K, anestetici.