Окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие перенос электронов, и окислительное фосфорилирование локализованы в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.

Транспорт электронов к кислороду в митохондриях (рис. 13.3) происходит в несколько этапов и представляет собой цепь из переносчиков электронов, у которых по мере приближения к кислороду возрастает редокс-потенциал (соответственно снижается восстановительный потенциал). Эти транспортные системы получили название дыхательных цепей.

Рис. 13.3.

Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря действию ферментов (дегидрогеназ), использующих в качестве акцепторов электронов коферменты NAD+ и NADP + . Всю эту группу ферментов называют ЫАО(Р)-зависимыми дегидрогеназами.

Коферменты NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), ко- фермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, Q, С, А, А 3) и белки, содержащие негеминовое железо, являются промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD и образования NADH и FADH2.

Последующее движение электронов от NADH и FADH 2 к кислороду можно уподобить скатыванию с лестницы, ступеньками которой являются переносчики электронов. При каждом шаге со ступеньки на ступеньку высвобождается порция свободной энергии (см. рис. 13.3).

В переносе электронов от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три белковых комплекса (I, III, IV) и две подвижные молекулы-переносчики: убихинон (ко- фермент Q) и цитохром С.

Рис. 13.4. Строение молекулы гема, z = 2* или 3 +

Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к циклу Кребса, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных кофер- ментов, связанных с белками.

Переносчики электронов цито- хромы (названные так из-за своей окраски) - это белки, содержащие в качестве простетической группы различные группы гемов. Гемы типа Ь соответствуют гемоглобинам. Гем ковалентно связан с белком (рис. 13.4).

Общим для цитохромов является способность иона железа, находящегося в геме, изменять степень окисления при передаче электрона:

Флавинзависимые дегидрогеназы - это белки, у которых сульфгидрильные группы цистеина, входящего в состав белка, связаны с атомами железа, в результате чего образуется железосерные комплексы (центры). Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах способны отдавать и принимать электроны, переходя поочередно в ферри- (Fe +3) и ферро- (Fe +2) состояния.

Железосерные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами FAD или FMN.

Фпавинадениндинуклеотид (FAD) является производным витамина В 2 (рибофлавина). Восстанавливаясь, FAD (окисленная форма) присоединяет два атома водорода и превращается в FADH 2 (восстановленная форма):

Еще один переносчик электронов, относящийся к данной группе, - флавинмононуклеотид (FMN) также является производным витамина В 2 (отличается от витамина В 2 только наличием фосфатной группы).

Оба флавиновых кофермента могут существовать и в форме так называемых семихинонов - свободных радикалов, которые образуются в результате переноса только одного электрона на FAD или FMN:

Общее обозначение различных флавопротеидов, различающихся белковой составляющей фермента, - FP„.

Пиридинзависимые дегидрогеназы получили такое название потому, что коферментом для них служат NAD + и NADP + , в молекулах которых имеется производное пиридина - никотинамид:

Катализируемые этими ферментами реакции можно представить следующим образом:

Дегидрогеназы, связанные с NAD + , принимают участие главным образом в процессе дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с NADP + , участвуют преимущественно в переносе электронов от субстратов, возникающих в результате катаболиче- ских реакций, к восстановительным реакциям биосинтеза.

Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон, названный так потому, что этот хинон встречается везде (от ubiquitous - вездесущий). Сокращенно его обозначают CoQ или просто Q. Убихинон при восстановлении присоединяет не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном переносе он превращается в семихинон, двухэлектронном - в гидрохинон.

Последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий можно представить следующей схемой:

Эта схема описывается цепью последовательных реакций:

Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстратов достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. Образующаяся в результате этого процесса вода называется метаболической.

Разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий представляет собой цепь переноса электронов, которая работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны.

Введение

Дыхательная цепь - система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов.

ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАДН и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного потенциала за счет последовательного переноса электрона по цепи, сопряженного с перекачкой протонов через мембрану.

У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот - на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всем протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном и происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами.

Дыхательная цепь

Вся полезная энергия, высвобождаемая в процессе окисления жирных кислот и аминокислот, и почти вся энергия окисления углеводов используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Митохондрии содержат несколько катализаторов, образующих дыхательную цепь, которые обеспечивают улавливание и перенос восстановительных эквивалентов, направляя их на реакцию с кислородом, приводящую к образованию воды. Одновременно функционирует механизм улавливания потенциальной свободной энергии с накоплением ее в форме высоко энергетических фосфатов. Митохондрии содержат также ферментные системы, обеспечивающие образование большинства восстановительных эквивалентов; это ферменты -окисления и цикла лимонной кислоты (последний является общим метаболическим путем при окислении всех основных пищевых продуктов). Это взаимоотношения показаны на рис 1.1.

Организация дыхательной цепи в митохондриях

Главные компоненты дыхательной цепи (рис 1.1) приведены последовательно в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду, изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы NAD/NADHк системе О2/Н2О составляет 1,1 В.

Главная дыхательная цепь начинается от NAD-зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с дыхательной цепью через NAD-зависимые дигидрогеназы; некоторые из них, имеющие относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал (например, система фумарат/сукцинат, связаны с флавопротеиновымидегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи (рис. 1.3).

В последнее время установлено, что в дыхательной цепи имеется еще один переносчик, связывающий флавопротеины с цитохромомb, обладающим самым низким среди нитохромовокислительно-восстановительным потенциалом. Этот переносчик названный убихиноном или коферментом Q (рис 1.4), в аэробных условиях находится в митохондриях в форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях в восстановительной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриальных липидов; среди других липидов преобладают фосфолипиды, являющиеся частью митохондриальной мембраны. Структура кофермента Q сходна со структурой витаминов К и Е. Близкую структуру имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах. Все эти вещества имеют в своей структуре полиизопреноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи; это позволяет предположить, что кофермент Q является подвижным компонентом дыхательной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

Рис. 1.1.

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратов дыхательной цепи, является железо-серный блок FeS. Он ассоциирован с флавопротеинами и с цитохромомb. Железо и сера участвуют в оокислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному механизму (рис. 1.5).

Современные представления о последовательности главных компонентов в дыхательной цепи отражены на рис. 1.3. На электроотрицательном конце цепи дегидрогеназы катализируют перенос электронов от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NADучаствеют сложные дегидрогеназные системы, содержащие липоат и FAD. Перенос электронов другими дегидрогеназами, использующими в качестве субстратов L(+)-3-гидроксиацил-СоА, D(-)-3-гидроксибутират, пролин, глутамат, малит, и изоцитрат, происходит прямо на NADдыхательной цепи.

ВосстановленныйNADH в дыхательной цепи в свою очередь окисляется металлофлавопротеиномNADH-дегидрогеназой. Этот фермент содержит FeS и FMNи прочно связан с дыхательной цепью. Кофермент Q служит коллектором восстановительных эквивалентов, которые поставляются рядом субстратов через флавопротеиновыедегидрогеназы в дыхательную цепь. К числу этих субстратов относятся сукцинат, холин, саркозин (рис. 1.3). Флавиновым компонентом этих дегидрогеназ является FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молукелярному кислороду (рис 1.3). Цитохромы выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала.

Рис. 1.2.

Рис. 1.3. Компоненты дыхательной цепи митохондрий FeS находится в цепи «на О2-стороне» ФП или Цитb. Цит - цитохром; ЭПФП - электронпереносящий флавопротеин; FeS - железо-серный белок; ФП - флавопротеин; Q - убихинон.

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Терминальный цитохром аа3 осуществляет конечную стадию процесса перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Ферментная система содержит медь - непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан О2. Эта катализируемая цитохромоксидазой реакция является не обратимой; она определяет направление движения восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи, с которым сопряжено образование АТП.

В отношении структурной организации дыхательной цепи был выдвинут ряд предположений. Существенно то, что молярные соотношения между компонентами являются почти постоянными. Функционирующие компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннююмитохондриальнуюмембану в виде четырех белково-липидных комплексов дыхательной цепи.

Рис. 1.6.

Указаны участки, где предположительно происходит сопряжение с фосфорилированием. BAL- димеркапрол; TTFA- хелатообразующий реагент на железо. Комплекс I-NADH; убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II - сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III - убихинол: феррицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV-ферроцитохром с: кислород-оксидоредуктаза.

На этом основании был сделан вывод об определенной пространственной ориентации этих комплексов в мембране. Цитохромсявляется единственным растворимым цитохромом и наряду с коферментом Q служит относительно мобильным компонентом дыхательной цепи, осуществляющим связь между фиксированными в пространстве комплексами (рис. 1.6).

ЭТЦ локализована в ЦПМ , у эукариот - на внутренней мембране митохондрий . Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу , транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ . Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования .

Цепь переноса электронов митохондрий

Влияние окислительного потенциала

Восстановитель	Окислитель	Ео´, В
Н2	2 +	- 0,42
НАД Н + Н+	НАД +	- 0,32
НАДФ Н + Н+	НАДФ +	- 0,32
Флавопротеин (восстановл.)	Флавопротеин (окисл.)	- 0,12
Кофермент Q Н2	Кофермент Q	+ 0,04
Цитохром B (Fe2+)	Цитохром B (Fe3+)	+ 0,07
Цитохром C 1 (Fe2+)	Цитохром C 1 (Fe3+)	+ 0,23
Цитохромы A (Fe2+)	Цитохромы A(Fe3+)	+ 0,29
Цитохромы A3 (Fe2+)	Цитохромы A3 (Fe3+)	+0,55
H2O	½ О2	+ 0,82

Ингибиторы дыхательной цепи

Некоторые вещества блокируют перенос электронов через комплексы I, II, III, IV .

• Ингибиторы I комплекса - барбитураты , ротенон , пиерицидин
• Ингибитор II комплекса - малонат .
• Ингибитор III комплекса - антимицин А , миксотиазол , стигматтелин
• Ингибиторы IV комплекса - сероводород , цианиды , угарный газ , оксид азота, азид натрия

Электронтранспортные цепи бактерий

Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, E. coli при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство ферментов ЭТЦ индуцибельны и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.

Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород , угарный газ , аммоний , нитрит , сера , сульфид , двухвалентное железо . Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать формиат -, лактат -, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гидрогеназа и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: фумаратредуктазу , нитрат- и нитритредуктазу и т. д.

См. также

Напишите отзыв о статье "Дыхательная цепь переноса электронов"

Примечания

Отрывок, характеризующий Дыхательная цепь переноса электронов

– Ваше благородие, к генералу. Здесь в избе стоят, – сказал фейерверкер, подходя к Тушину.
– Сейчас, голубчик.
Тушин встал и, застегивая шинель и оправляясь, отошел от костра…
Недалеко от костра артиллеристов, в приготовленной для него избе, сидел князь Багратион за обедом, разговаривая с некоторыми начальниками частей, собравшимися у него. Тут был старичок с полузакрытыми глазами, жадно обгладывавший баранью кость, и двадцатидвухлетний безупречный генерал, раскрасневшийся от рюмки водки и обеда, и штаб офицер с именным перстнем, и Жерков, беспокойно оглядывавший всех, и князь Андрей, бледный, с поджатыми губами и лихорадочно блестящими глазами.
В избе стояло прислоненное в углу взятое французское знамя, и аудитор с наивным лицом щупал ткань знамени и, недоумевая, покачивал головой, может быть оттого, что его и в самом деле интересовал вид знамени, а может быть, и оттого, что ему тяжело было голодному смотреть на обед, за которым ему не достало прибора. В соседней избе находился взятый в плен драгунами французский полковник. Около него толпились, рассматривая его, наши офицеры. Князь Багратион благодарил отдельных начальников и расспрашивал о подробностях дела и о потерях. Полковой командир, представлявшийся под Браунау, докладывал князю, что, как только началось дело, он отступил из леса, собрал дроворубов и, пропустив их мимо себя, с двумя баталионами ударил в штыки и опрокинул французов.
– Как я увидал, ваше сиятельство, что первый батальон расстроен, я стал на дороге и думаю: «пропущу этих и встречу батальным огнем»; так и сделал.
Полковому командиру так хотелось сделать это, так он жалел, что не успел этого сделать, что ему казалось, что всё это точно было. Даже, может быть, и в самом деле было? Разве можно было разобрать в этой путанице, что было и чего не было?
– Причем должен заметить, ваше сиятельство, – продолжал он, вспоминая о разговоре Долохова с Кутузовым и о последнем свидании своем с разжалованным, – что рядовой, разжалованный Долохов, на моих глазах взял в плен французского офицера и особенно отличился.
– Здесь то я видел, ваше сиятельство, атаку павлоградцев, – беспокойно оглядываясь, вмешался Жерков, который вовсе не видал в этот день гусар, а только слышал о них от пехотного офицера. – Смяли два каре, ваше сиятельство.
На слова Жеркова некоторые улыбнулись, как и всегда ожидая от него шутки; но, заметив, что то, что он говорил, клонилось тоже к славе нашего оружия и нынешнего дня, приняли серьезное выражение, хотя многие очень хорошо знали, что то, что говорил Жерков, была ложь, ни на чем не основанная. Князь Багратион обратился к старичку полковнику.
– Благодарю всех, господа, все части действовали геройски: пехота, кавалерия и артиллерия. Каким образом в центре оставлены два орудия? – спросил он, ища кого то глазами. (Князь Багратион не спрашивал про орудия левого фланга; он знал уже, что там в самом начале дела были брошены все пушки.) – Я вас, кажется, просил, – обратился он к дежурному штаб офицеру.
– Одно было подбито, – отвечал дежурный штаб офицер, – а другое, я не могу понять; я сам там всё время был и распоряжался и только что отъехал… Жарко было, правда, – прибавил он скромно.
Кто то сказал, что капитан Тушин стоит здесь у самой деревни, и что за ним уже послано.
– Да вот вы были, – сказал князь Багратион, обращаясь к князю Андрею.
– Как же, мы вместе немного не съехались, – сказал дежурный штаб офицер, приятно улыбаясь Болконскому.
– Я не имел удовольствия вас видеть, – холодно и отрывисто сказал князь Андрей.
Все молчали. На пороге показался Тушин, робко пробиравшийся из за спин генералов. Обходя генералов в тесной избе, сконфуженный, как и всегда, при виде начальства, Тушин не рассмотрел древка знамени и спотыкнулся на него. Несколько голосов засмеялось.
– Каким образом орудие оставлено? – спросил Багратион, нахмурившись не столько на капитана, сколько на смеявшихся, в числе которых громче всех слышался голос Жеркова.
Тушину теперь только, при виде грозного начальства, во всем ужасе представилась его вина и позор в том, что он, оставшись жив, потерял два орудия. Он так был взволнован, что до сей минуты не успел подумать об этом. Смех офицеров еще больше сбил его с толку. Он стоял перед Багратионом с дрожащею нижнею челюстью и едва проговорил:
– Не знаю… ваше сиятельство… людей не было, ваше сиятельство.
– Вы бы могли из прикрытия взять!
Что прикрытия не было, этого не сказал Тушин, хотя это была сущая правда. Он боялся подвести этим другого начальника и молча, остановившимися глазами, смотрел прямо в лицо Багратиону, как смотрит сбившийся ученик в глаза экзаменатору.
Молчание было довольно продолжительно. Князь Багратион, видимо, не желая быть строгим, не находился, что сказать; остальные не смели вмешаться в разговор. Князь Андрей исподлобья смотрел на Тушина, и пальцы его рук нервически двигались.
– Ваше сиятельство, – прервал князь Андрей молчание своим резким голосом, – вы меня изволили послать к батарее капитана Тушина. Я был там и нашел две трети людей и лошадей перебитыми, два орудия исковерканными, и прикрытия никакого.
Князь Багратион и Тушин одинаково упорно смотрели теперь на сдержанно и взволнованно говорившего Болконского.
– И ежели, ваше сиятельство, позволите мне высказать свое мнение, – продолжал он, – то успехом дня мы обязаны более всего действию этой батареи и геройской стойкости капитана Тушина с его ротой, – сказал князь Андрей и, не ожидая ответа, тотчас же встал и отошел от стола.

Компонентами дыхательной цепи являются ферментные белки с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами. Такие комплексы у эукариот локализуются во внутренней стороне мембраны митохондрий, а у прокариот – в плазматической мембране. Механизм действия и локализация компонентов дыхательной цепи в тех и других мембранах во многом сходны.

Компоненты дыхательной цепи погружены в двойной липидный слой. Речь идет о большом числе ферментов, коферментов и простетических групп, различных дегидрогеназ и транспортных систем, участвующих в переносе электронов и водорода. Белковые компоненты могут быть выделены из мембраны. Дыхательные цепи микроорганизмов состоят из следующих важнейших, локализованных в мембране, переносчиков атомов водорода или электронов: флавопротеинов, железосерных белков, хинонов и цитохромов.

Флавопротеины – коферменты, в состав которых входит витамин В2, а в качестве простетических групп в них выступают флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Флавопротеины осуществляют перенос атомов водорода, т. е. являются дегидрогеназами. Дегидрогеназа, которая содержит в качестве простетической группы ФМН, является НАДФ · Н2-дегидрогеназой. Это стартовый переносчик в дыхательной цепи, осуществляющий перенос водорода с НАДФ · Н2 на следующие компоненты дыхательной цепи. Дегидрогеназа, содержащаяся в качестве простетической группы ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной кислоты в фумаровую в ЦТК. Атомы водорода от ФАД · Н2 поступают сразу на хиноны, локализованные на последних этапах электронтранспортной цепи.

Железосерные белки (FeS-белки) содержат железосероцентры, в которых атомы железа связаны, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой – с неорганической сульфидной серой (рис. 4).

Железосероцентры входят в состав некоторых флавопротеинов (например, сукцинатдегидрогеназы и НАДФ · Н2-дегидрогеназы), или же служат в качестве единственных простетических групп белков. Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров. Железосероцентры, в зависимости от строения, могут осуществлять одновременный перенос одного или двух электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.

Рис. 4. Железосероцентры (FeS-центры) белков

Хиноны – жирорастворимые соединения. У грамотрицательных бактерий они представлены убихиноном (кофермент Q) или менахиноном (рис. 5).

Рис. 5. Хиноны грамотрицательных бактерий: А – кофермент Q (убихинон); Б – менахинон

Хиноны липофильны и поэтому локализуются в липидной фазе мембраны. Они переносят атомы водорода. По сравнению с другими компонентами дыхательной цепи, хиноны содержатся в 10–15-кратном избытке. Они служат «сборщиками» водорода, поставляемого различными коферментами и простетическими группами в дыхательной цепи, и передают его цитохромам. Таким образом, они функционируют в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами.

Цитохромы принимают участие на заключительном этапе в цепи переноса электронов. К ним электроны поступают от хинонов. В качестве простетической группы цитохромы содержат гем. Цитохромы окрашены; они отличаются друг от друга спектрами поглощения и окислительно-восстановительными потенциалами. Различают цитохромы а , а 3 , b , c , o и ряд других. Наиболее широко распространен цитохром с . Он найден почти у всех организмов, обладающих дыхательной цепью. Конечные (терминальные) цитохромы дыхательной цепи – это цитохромы а + а 3 или цитохромоксидаза. Они передают электроны на молекулярный кислород, т. е. катализируют восстановление молекулярного кислорода до воды. В реакционном центре цитохромоксидазы, помимо двух гемов, содержатся два атома меди.

Дыхательная цепь имеет следующие особенности:

1) Одни ее компоненты переносят только атомы водорода, а другие – только электроны.

2) Переносчики атомов водорода и переносчики электронов последовательно чередуются в дыхательной цепи. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы – электронов.

3) В составе дыхательных цепей у микроорганизмов выявлены определенные различия.

ЛЕКЦИЯ по БХ

для студентов _2 __ курса лечебного факультета

Тема Биологическое окисление 2. Тканевое дыхание. Окислительное фосфорилирование.

Время 90 мин.

Учебные и воспитательные цели:

Дать представление:

О строении дыхательной цепи (ДЦ), ингибиторах; механизмах работы ДЦ; пунктах сопряжения, величинах ОВП компонентов ДЦ. О коэффициенте Р/О, его значении.

О свободном и разобщенном дыхании. О теориях сопряжения ОФ.

О механизме генерации Н + .

О структуре и функциях протонной АТФ-азы; о механизме разобщения.

Об окислительдном фосфорилировании (pH и ); о механизмах термогенеза, роли бурой жировой ткани.

О роли энергетического обмена; Путях утилизации Н + и АТФ. О прикладных аспектах биоэнергетики.

О путях потребления O 2 в организме (митохондриальный, микросомальный, перекисный). О характеристике микросомальной ДЦ, в сравнении с митохондриальной. О характеристике цитохромаP 450 , функции.

О перекисном окисление. О механизме образования активных форм кислорода O 2 - , O 2 , O 2 . О роли перекисных процессов в норме и при патологии. О перекисном окислении липидов (ПОЛ): (НЭЖК → R  → диеновые коньюгаты → гидроперекиси → МДА). О способах оценки активности ПОЛ.

Об антиоксидантной защите: ферментной и неферментной. О характеристиках СОД, каталазы, глютатионпероксидазы, GSH-редуктазы, NADPH-воспроизводящих систем. О неферментных АОС: витаминах Е, А, С, каротиноидах, гистидине, кортикостероидах, билирубине, мочевине и др.

ЛИТЕРАТУРА

Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990. С. 213–220; 1998. С. 305–317.

Николаев А. Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989. С. 199–221.

Дополнительная

Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1993. С. 403–438.

Марри Р. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 111–139.

Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 2. С. 403–438, 508–550.

Албертс Б. и др., Молекулярнаябиология клетки. М.: Мир, 1994.Т. 1. С. 430–459.

Скулачев В.П. Энергетика биологическихмембран. М.: Наука. 1989.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. Мультимедийная презентация.

РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ

	Перечень учебных вопросов	Количество выделяемого времени в минутах
	Строение дыхательной цепи (ДЦ), ее комплексы, ингибиторы. Механизм работы ДЦ. Пункты сопряжения, величина ОВП компонентов ДЦ. Коэффициент Р/О, его значение.
	Свободное и разобщенное дыхание. Теории сопряжения ОФ (химическая, конформационная, хемиосмотическая – П. Митчелла).
	Механизм генерации Н + , его компоненты, стехиометрия Н + /е.
	Структура и функция протонной АТФ-азы. Механизм разобщения.
	ОФ (снятие pH и ). Механизмы термогенеза. Роль бурой жировой ткани.
	Основополагающая роль энергетического обмена. Пути утилизации Н + и АТФ. Прикладные аспекты биоэнергетики.
	Пути потребления O 2 в организме (митохондриальный, микросомальный, перекисный). Характеристика микросомальной ДЦ, ее сравнение с митохондриальной. Характеристика цитохромов P 450 , их функция.
	Перекисное окисление. Механизм образования активных форм кислорода O 2 - , O 2 , O 2 . Роль перекисных процессов в норме и при патологии. Общее представление о ПОЛ (НЭЖК → R  → диеновые коньюгаты → гидроперекиси → МДА). Способы оценки активности ПОЛ.
	Антиоксидантная защита: ферментная и неферментная. Характеристика СОД, каталазы, глютатионпероксидазы, GSH-редуктазы, NADPH-воспроизводящих систем. Неферментные АОС: витамины Е, А, С, каротиноиды, гистидин, кортикостероиды, билирубин, мочевина и др.

Всего 90 мин

1. Строение дыхательной цепи (дц), комплексы, ингибиторы. Механизм работы. Пункты сопряжения, величина овп компонентов дц. Коэффициент р/о, его значение.

Дыхательная цепь.

Поэтапное «контролируемое сгорание» достигается путём промежуточного включения дыхательных ферментов, обладающих различным редокс-потенциалом. Редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) определяет направление переноса протонов и электронов ферментами дыхательной цепи (рис.1).

Редокс-потенциал выражается значением электродвижущей силы (в вольтах ), которая возникает в растворе между окислителем и восстановителем, присутствующих в концентрации 1,0 моль/л при 25˚ С (при рН=7,0 оба находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя). При рН=7,0 редокс-потенциал системы Н 2 /2Н + +2ē равен – 0,42 v. Знак – означает, что данная редокс-пара легко отдаёт электроны, т.е. играет роль восстановителя, знак + указывает на способность редокс-пары принимать электроны, т.е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАДН∙Н + / НАД + равен – 0,32 v, что говорит о высокой её способности отдавать электроны, а окислительно-восстановительная пара ½О 2 /Н 2 О имеет наибольшую положительную величину +0,81 v, т.е. кислород обладает наивысшей способностью принимать электроны.

В процессе окисления АцКоА в ЦТК, восстановленные формы НАДН2 и ФАДН2 поступают в ДЦ, где энергия электронов и протонов трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ДЦ - совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электороны и протоны с субстрата на кислород.

Принципы функционирования ДЦ основаны на 1-ом и 2-ом законах термодинамики.

Движущей силой ДЦ является разность ОВП. Суммарная разность всей ДЦ составляет 1,1 В. Пункты фосфорилирования должны иметь перепад ОВП = 0,25 - 0,3 В.

1. Пара НАД-Н имеет ОВП = 0,32 В.

2. Пара Q-b - / - /- - 0 В.

3. O2 - имеет +0,82 В.

ДЦ локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет 2 пути введения электронов и протонов или 2 входа; ДЦ образует 4 комплекса.

1 вход: НАД-зависимый (поступают электроны и протоны со всех НАД-зависимых реакций).

2 вход: ФАД-зависимый

НАД ---->ФП

Q --->b--->c 1 --->c--->aa 3 ---->1/2O 2

Янтарная кислота ---->ФП

Дыхательная цепь – форма реализации биологического окисления .

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих во внутренней митохондриальной мембране с участием ферментов дыхательной цепи. Дыхательная цепь имеет чёткую структурную организацию, её компоненты формируют дыхательные комплексы , порядок расположения которых зависит от величины их редокс-потенциала (рис.5.1). Количество дыхательных цепей в отдельно взятой митохондрии из клеток разных тканей неодинаково: в печени – 5000, в сердце – около 20 000, следовательно, миокардиоциты отличаются более интенсивным дыханием, чем гепатоциты.

Рис. 5.1 Порядок расположения комплексов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий

Прежде чем остановиться на характеристике каждого из компонентов дыхательной цепи, познакомимся с субстратами тканевого дыхания.

Субстраты тканевого дыхания подразделяются на 2 группы:

НАД-зависимые – субстраты цикла Кребса изоцитрат, α-кетоглутарат и малат. Это также пируват, гидроксибутират и β–гидрокси-ацил~КоА, глутамат и некоторые другие аминокислоты. Водород от НАД-зависимых субстратов c помощью НАД-зависимых дегидрогеназ передаётся на I-й комплекс дыхательной цепи.

ФАД-зависимые – сукцинат, глицерол-3-фосфат, ацил~КоА и некоторые другие. Водород от ФАД-зависимых субстратов передаётся на II-й комплекс дыхательной цепи.

При дегидрировании субстратов НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется восстановленная форма НАД (НАДH∙H +).

Указана окисленная форма кофермента НАД + . Этот кофермент является динуклеотидом (н икотинамид -а денин -д инуклеотид ): в состав одного нуклеотида входит витамин РР (никотинамид), другой представляет собой АМФ. Способность кофермента играть роль промежуточного переносчика водородов связана с наличием в его структуре витамина РР. В электронно-протонной форме процесс обратимого гидрирования-дегидрирования может быть представлен уравнением (R- остальная часть кофермента):

НАДH∙H + может образовываться не только в митохондриях, но и в цитозоле клетки при протекании определённых процессов метаболизма. Однако цитоплазматический кофермент не может проникать в митохондрии. Водород восстановленного кофермента должен быть сначала перенесен на субстраты, которые могут проникать в митохондрии. Такими «Н 2 -переносящими субстратами» являются:

Оксалацетат → малат

Ацетоацетат → β-гидроксибутират

Дигидроксиацетон фосфат → глицерол-3-фосфат

НАДH∙H + затем окисляется 1-м комплексом дыхательной цепи. Рассмотрим работу этого комплекса.

I – НАДH∙H + -убихинон-оксидодуктаза.

Первый комплекс является самым большим в дыхательной цепи (представлен 23-30 субъединицами). Он катализирует перенос водорода от НАДH∙H + на убихинон (рис. 5.1 и рис. 5.3). В его состав входят кофермент ФМН (флавинмононуклеотид) и железосерные белки, содержащие негеминовое железо. Функция этих белков заключается в разделении потока протонов и электронов: электроны переносятся от ФМН∙Н 2 к внутренней поверхности внутренней мембраны митохндрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны и затем высвобождаются в митохондриальный метрикс.

При транспорте протонов и электронов редокс-потенциал первого комплекса снижается на 0,38 v, что вполне достаточно для синтеза АТФ. Однако в самом комплексе АТФ не образуется, а высвобождающаяся в результате работы комплекса энергия аккумулируется (см. ниже образование электро-химического потенциала) и частично рассеивается в виде тепла.

По своему строению ФМН – мононуклеотид, в котором азотистое основание представлено изоаллоксазиновым ядром рибофлавина, а пентозой является рибитол (иными словами, ФМН – это фосфорилированная форма витамина В 2).

Функция ФМН заключается в акцепции 2 атомов водорода от НАДH∙H + и передачи их железосерным белкам. Водород (2 электрона и 2 протона) присоединяется к атомам азота изоаллоксазинового кольца, при этом происходит внутримолекулярная перегруппировка двойных связей с образованием промежуточного семихинона – соединения свободнорадикальной природы (на схеме представлено суммарное уравнение реакции, где R – остальная часть молекулы)

II комплекс цепи тканевого дыхания – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза.

Этот комплекс имеет меньшую молекулярную массу и также содержит железосерные белки. Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза катализирует перенос водорода от сукцината на убихинон. В состав комплекса входит кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид) и фермент сукцинатдегидрогеназа, который является одновременно ферментом цикла Кребса. Ацил~ S КоА, 3-фосфо-глицерат и диоксиацетон фосфат также являются ФАД-зависимыми субстратами тканевого дыхания и с помощью этого кофермента контактируют со вторым комплексом.

Рис. 5.3 Первый комплекс дыхательной цепи

Энергия включения водорода субстратов во II комплекс цепи тканевого дыхания рассеивается в основном в виде тепла, так как на этом участке цепи редокс-потенциал снижается незначительно и этой энергии для синтеза АТФ мало.

Процесс восстановления ФАД протекает аналогично таковому ФМН.

Кофермент Q или убихинон - гидрофобное соединение, является компонентом клеточных мембран, содержится в большой концентрации, относится к группе витаминов. относится к группе витаминов.

Убихинон (коэнзим Q). Убихинон – небольшая липофильная молекула, по химическому строению представляющая собой бензохинон с длинной боковой цепью (число изопреноидных единиц колеблется от 6 у бактерий до 10 у млекопитающих).

В дыхательной цепи коэнзим Q является своеобразным депо (пулом) водорода, который он получает от различных флавопротеинов. Липофильный характер молекулы убихинона обуславливает его способность свободно перемещаться в липидной фазе митохондриальной мембраны, перехватывая протоны и электроны не только от I и II комплексов дыхательной цепи, но и захватывая из митохондриального матрикса протоны. При этом убихинон восстанавливается с образованием промежуточного свободнорадикального продукта – семихинона.

Восстановленная форма убихинона – убихинол – передаёт протоны и электроны на III комплекс дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза имеет высокую степень сродства к кислороду и может работать при его низких концентрациях.

аа 3 - состоит из 6 субъединиц каждая из которых содержит гем и атом меди. 2 субъединицы составляют цитохром а, а остальные 4 относятся к цитохрому а 3.

Между НАД и ФП, b-c, a-a3 имеет место max перепад ОВП. Эти пункты являются местом синтеза АТФ (местом фосфорилирования АДФ).

III комплекс цепи тканевого дыхания – убихинол-цитохром С-оксидоредуктаза. В состав III комплекса входят цитохромы b и с 1 , относящиеся к группе сложных белков хромопротеинов . Простетическая группа этих белков окрашена (chroma – краска) и близка по химическому строению к гему гемоглобина. Однако в противоположность гемоглобину и оксигемоглобину, в которых железо должно быть только в 2-х валентной форме, железо в цитохромах при работе дыхательной цепи переходит от двух- к трёхвалентному состоянию (и обратно).

Как видно из названия, III комплекс переносит электроны от убихинола на цитохром С. Вначале электроны поступают на окисленную форму цитохрома b (Fe 3+), который при этом восстанавливается (Fe 2+), затем восстановленный цитохром b передаёт электроны окисленной форме цитохрома с, который также восстанавливается и, в свою очередь, передаёт электроны цитохрому С.

митохондриальной мембраны от III комплекса к IV и обратно. При этом 1 молекула цитохрома С, попеременно окисляясь и восстанавливаясь, переносит 1 электрон.

IV комплекс дыхательной цепи – цитохром С-оксидаза. Комплекс назван оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с кислородом. У млекопитающих этот крупный (~ 200 kD) трансмембранный белок состоит из 6-13 субъединиц, из которых некоторые кодируются митохондриальной ДНК. В состав IV комплекса входят 2 хромопротена – цитохром а и цитохром а 3 . В отличие от других цитохромов, цитохромы а и а 3 каждый содержат не только атом железа, но и атом меди. Медь в составе этих цитохромов при транспорте электронов также попеременно переходит в окисленное (Cu 2+) и восстановленное (Cu +) состояние.

Цитохром с -оксидаза катализирует одноэлектронное окисление 4-х восстановленных молекул цитохрома с и при этом одновременно осуществляет полное (4-х электронное) восстановление молекулы кислорода:

4 цитохрома с (Fe 2+) + 4 H + + O 2 4 цитохрома с (Fe 3+) + H 2 O

Протоны для образования молекул воды поступают из матрикса. Следует заметить, что эта реакция весьма сложна и протекает через промежуточные стадии образования свободных радикалов кислорода.

Окислительно-восстановительный потенциал IV комплекса является самым большим (+0,57 v), его энергии вполне достаточно для синтеза 3-х молекул АТФ, однако большая часть этой энергии используется на «перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. В связи с активным транспортом протонов цитохром с -оксидаза получила название «протонного насоса».

Таким образом, тканевое дыхание представляет собой процесс транспорта электронов и протонов от НАД- или ФАД-зависимых субстратов на кислород, а также протонов, поставляемых матриксом митохондрий. При транспорте падает редокс-потенциал, что сопровождается высвобождением заключённой в субстратах тканевого дыхания энергии. Полное восстановление молекулярного кислорода воздуха в дыхательной цепи сопровождается образованием воды.