Vandenilio ir elektronų transportavimo grandinė (kvėpavimo grandinė). Elektronų perdavimo kompleksai. Oksidacinis fosforilinimas. Chemiosmosinė oksidacijos ir fosforilinimo teorija. Elektronų transportavimo proceso sujungimo su ATP susidarymu mechanizmai. Kvėpavimo

Oksidacinis fosforilinimas

Oksidacinio fosforilinimo mechanizmą pirmasis pasiūlė Peteris Mitchellas. Remiantis šia hipoteze, elektronų perdavimas, vykstantis vidinėje mitochondrijų membranoje, sukelia H + jonų pumpavimą iš mitochondrijų matricos į tarpmembraninę erdvę. Tai sukuria H + jonų koncentracijos gradientą tarp citozolio ir uždaros intramitochondrinės erdvės. Vandenilio jonai normaliai gali grįžti į mitochondrijų matricą tik vienu būdu – per specialų fermentą, kuris sudaro ATP – ATP sintazę.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, vidinėje mitochondrijų membranoje yra daug multifermentų kompleksų, įskaitant daugybę fermentų. Šie fermentai vadinami kvėpavimo fermentais, o jų išsidėstymo membranoje seka vadinama kvėpavimo grandine (elektronų transportavimo grandine).

Bendrasis oksidacinio fosforilinimo principas

Apskritai kvėpavimo grandinės darbas yra toks:

1. Katabolizmo reakcijose susidarę NADH ir FADH 2 perneša vandenilio atomus (tai yra vandenilio protonus ir elektronus) į kvėpavimo grandinės fermentus.
2. Elektronai juda per kvėpavimo grandinės fermentus ir praranda energiją.
3. Ši energija naudojama H+ protonams pumpuoti iš matricos į tarpmembraninę erdvę.
4. Kvėpavimo grandinės pabaigoje elektronai atsitrenkia į deguonį ir paverčia jį vandeniu.
5. H+ protonai skuba atgal į matricą ir praeina per ATP sintazę.
6. Tuo pačiu metu jie praranda energiją, kuri naudojama ATP sintezei.

Taigi, redukuotos NAD ir FAD formos yra oksiduojamos kvėpavimo grandinės fermentais, dėl kurių į ADP pridedamas fosfatas, tai yra fosforilinimas. Todėl visas procesas vadinamas oksidaciniu fosforilinimu.

Kur sukeliamas protonų potencialas? Protonų potencialą ATP sintazė paverčia ATP cheminės jungties energija. Konjuguotas ETC ir ATP sintazės darbas vadinamas oksidaciniu fosforilinimu.

Eukariotinėse mitochondrijose elektronų pernešimo grandinė prasideda nuo NADH oksidacijos ir ubichinono Q redukavimo kompleksu I. Toliau kompleksas II oksiduoja sukcinatą iki fumarato ir redukuoja ubichinoną Q. Ubichinoną Q oksiduoja ir redukuoja citochromo c kompleksas III. Grandinės gale IV kompleksas katalizuoja elektronų perdavimą iš citochromo c į deguonį, kad susidarytų vanduo. Reakcijos metu kiekvienam įprastai išleistam 6 protonams ir 6 elektronams išsiskiria 2 molekulės vandens, nes sunaudojama 1 molekulė O2 ir 10 molekulių NAD∙H.

I kompleksas arba NADH dehidrogenazės kompleksas oksiduoja NAD-H. Šis kompleksas atlieka pagrindinį vaidmenį ląstelių kvėpavimo procesuose ir. Beveik 40% ATP sintezės protonų gradiento sukuria šis kompleksas. I kompleksas oksiduoja NADH ir sumažina vieną ubichinono molekulę, kuri išsiskiria į membraną. Kiekvienai oksiduotai NADH molekulei kompleksas perkelia keturis protonus per membraną. NADH dehidrogenazės kompleksas paima iš jo du elektronus ir perkelia juos į ubichinoną. Ubichinonas yra tirpus lipiduose. Ubichinonas membranos viduje pasklinda į III kompleksą. Tuo pačiu metu kompleksas I pumpuoja 2 protonus ir 2 elektronus iš matricos į mitochondrijas.

I komplekso elektronų transportavimo grandinė. Pilkos rodyklės – mažai tikėtinas arba jau nebeveikiantis transportavimo kelias

N5 klasteris turi labai mažą potencialą ir riboja viso elektronų srauto greitį visoje grandinėje. Vietoj įprastų geležies ir sieros centrų ligandų (keturios cisteino liekanos), jį koordinuoja trys cisteino liekanos ir viena histidino liekana, taip pat yra apsupta įkrautų polinių liekanų, nors ji yra giliai fermente.

Klasteris N7 yra tik kai kurių bakterijų I komplekse. Jis yra gerokai nutolęs nuo kitų klasterių ir negali su jais keistis elektronais, todėl, matyt, yra reliktas. Kai kuriuose bakterijų kompleksuose, susijusiuose su I kompleksu, tarp N7 ir kitų grupių buvo aptiktos keturios konservuotos cisteino liekanos, o bakterijų komplekse I. Aquifex aeolicus buvo aptiktas papildomas Fe 4 S 4 klasteris, jungiantis N7 su likusiais klasteriais. Iš to išplaukia, kad A. aeolicus I kompleksas, be NADH, gali naudoti kitą elektronų donorą, kuris juos perduoda per N7.

NADH dehidrogenazės kompleksas oksiduoja NADH, susidariusį matricoje trikarboksirūgšties ciklo metu. Elektronai iš NADH naudojami atkurti membranos transporterį ubichinoną Q, kuris perkelia juos į kitą mitochondrijų elektronų transportavimo grandinės kompleksą III kompleksą arba citochromą. bc 1-kompleksas.

NADH dehidrogenazės kompleksas veikia kaip protonų siurblys: kiekvienam oksiduotam NADH ir redukuotam Q pro membraną į tarpmembraninę erdvę pumpuojami keturi protonai:

Reakcijos metu susidaręs elektrocheminis potencialas naudojamas ATP sintezei. Reakcija, kurią katalizuoja kompleksas I, yra grįžtamasis, procesas vadinamas aerobinio sukcinato sukeltu NAD+ redukavimu. Esant dideliam membranos potencialui ir redukuotų ubichinolių pertekliui, kompleksas gali sumažinti NAD+ naudodamas savo elektronus ir perduoti protonus atgal į matricą. Šis reiškinys dažniausiai pasireiškia, kai yra daug sukcinato, bet mažai oksaloacetato ar malato. Ubichinono redukciją atlieka sukcinato dehidrogenazės arba mitochondrijų fermentai. Esant dideliam protonų gradientui, komplekso afinitetas ubichinoliui didėja, o ubichinolio redokso potencialas mažėja dėl padidėjusios jo koncentracijos, todėl elektronai gali judėti atvirkštiniu būdu išilgai vidinės mitochondrijų membranos elektrinio potencialo. NAD. Šis reiškinys buvo pastebėtas laboratorinėmis sąlygomis, tačiau nežinoma, ar jis pasireiškia gyvoje ląstelėje.

Pradiniuose I komplekso tyrimo etapuose plačiai aptartas modelis buvo pagrįstas prielaida, kad komplekse veikia panaši į tą sistemą. Tačiau vėlesni tyrimai nerado jokių iš esmės susietų chinonų I komplekse ir visiškai atmetė šią hipotezę.

Atrodo, kad NADH dehidrogenazės kompleksas turi unikalų protonų transportavimo mechanizmą dėl paties fermento konformacinių pokyčių. ND2, ND4 ir ND5 subvienetai vadinami antiportiniais, nes jie yra homologiški vienas kitam ir bakterijų Mrp Na + / H + antiportams. Šie trys subvienetai sudaro tris pagrindinius protonų kanalus, sudarytus iš konservuotų įkrautų aminorūgščių liekanų (daugiausia lizino ir glutamato). Ketvirtąjį protonų kanalą sudaro dalis Nqo8 subvieneto ir maži subvienetai ND6, ND4L ir ND3. Kanalas savo struktūra yra panašus į panašius į antiportą panašių subvienetų kanalus, tačiau jame yra neįprastai daug tankiai supakuotų glutamato likučių matricos pusėje, todėl jis vadinamas E kanalu (lotyniškas E naudojamas kaip standartas glutamato pavadinimas). Nuo ND5 subvieneto C galo driekiasi pratęsimas, susidedantis iš dviejų transmembraninių spiralių, sujungtų neįprastai ilga (110 Å) α-spirale (HL), kuri, eidama į matricą nukreiptą komplekso pusę, fiziškai sujungia visas tris. į antiportą panašūs subvienetai ir galbūt susiję su elektronų transportavimu su konformaciniu pertvarkymu. Kitas sukabinimo elementas, βH, yra sudarytas iš persidengiančių ir α-spiralių serijos ir yra priešingoje, periplazminėje komplekso pusėje. Vis dar visiškai nežinoma, kaip tiksliai elektronų pernešimas yra susietas su protonų perdavimu. Manoma, kad galingas neigiamas N2 klasterio krūvis gali nustumti aplinkinius polipeptidus, sukeldamas konformacinius pokyčius, kurie kažkokiu būdu išplinta į visus į antiportą panašius subvienetus, esančius gana toli vienas nuo kito. Kita hipotezė rodo, kad dėl konformacinių pokyčių neįprastai ilga ubichinono surišimo vieta stabilizuoja ubichinolį Q-2, turintį ypač mažą redokso potencialą ir neigiamą krūvį. Daugelis konformacinių pokyčių ir susijusių protonų pernešimo kinetikos detalių lieka nežinomos.

Labiausiai ištirtas I komplekso inhibitorius yra rotenonas (plačiai naudojamas kaip organinis pesticidas). Rotenonas ir rotenoidai yra izoflavonoidai, kurių yra kelių tropinių augalų genčių šaknyse, pvz. Antonija (Loganiaceae), Derisas Ir Lonchokarpas (Fabaceae). Rotenonas jau seniai naudojamas kaip insekticidas ir žuvų nuodai, nes vabzdžių ir žuvų mitochondrijos jam yra ypač jautrios. Yra žinoma, kad prancūzų Gvianos ir kitų Pietų Amerikos indėnų čiabuviai rotenono turinčius augalus žvejybai naudojo dar XVII amžiuje. Rotenonas sąveikauja su ubichinono surišimo vieta ir konkuruoja su pagrindiniu substratu. Įrodyta, kad ilgalaikis sisteminis komplekso I slopinimas rotenonu gali sukelti selektyvią dopaminerginių neuronų (išskiriančių neurotransmiterių dopaminą) mirtį. Piericidin A, kitas stiprus komplekso I inhibitorius, struktūriškai panašus į ubichinoną, veikia panašiai. Šiai grupei priklauso ir natrio amitalis, barbitūro rūgšties darinys.

Nepaisant daugiau nei 50 metų I komplekso tyrimų, nebuvo įmanoma atrasti inhibitorių, blokuojančių elektronų perdavimą komplekse. Hidrofobiniai inhibitoriai, tokie kaip rotenonas ar piericidinas, tiesiog nutraukia elektronų perdavimą iš galinio N2 klasterio į ubichinoną.

Kita medžiaga, blokuojanti I kompleksą, yra adenozino difosfato ribozė, vykstanti NADH oksidacijos reakcijoje. Jis prisijungia prie fermento nukleotidų surišimo vietoje (FAD).

Kai kurie iš stipriausių I komplekso inhibitorių yra acetogenino šeima. Įrodyta, kad šios medžiagos sudaro cheminius kryžminius ryšius su ND2 subvienetu, o tai netiesiogiai rodo ND2 vaidmenį surišant ubichinoną. Įdomu pastebėti, kad acetogeninas rolliniastatinas-2 buvo pirmasis I komplekso inhibitorius, kuris jungiasi kitoje vietoje nei rotenonas.

Vaistas nuo diabeto metforminas turi vidutinį slopinamąjį poveikį; Matyt, ši vaisto savybė yra jo veikimo mechanizmo pagrindas.

Elektronai iš sukcinato pirmiausia perkeliami į FAD, o po to per Fe-S grupes į Q. Elektronų transportavimas komplekse nėra lydimas protonų gradiento susidarymo. Sukcinato oksidacijos metu susidaręs 2H+ lieka toje pačioje membranos pusėje, tai yra matricoje, ir vėliau reabsorbuojamas redukuojant chinoną. Taigi II kompleksas neprisideda prie protonų gradiento per membraną sukūrimo ir veikia tik kaip elektronų pernešėjas iš sukcinato į ubichinoną.

Dėl sukcinato oksidacijos jo elektronai perkeliami į FAD, o po to perkeliami išilgai geležies ir sieros grupių grandinės iš klasterio į klasterį. Ten šie elektronai perkeliami į surišimo vietoje laukiančią ubichinono molekulę.

Taip pat yra prielaida, kad tam, kad elektronas nepatektų tiesiai iš klasterio į hemą, veikia specialus vartų mechanizmas. Tikėtinas kandidatas į vartus yra B subvieneto histidinas -207, esantis tiesiai tarp geležies ir sieros klasterio ir hemo, arti surišto ubichinono ir galbūt kontroliuoti elektronų srautą tarp šių redokso centrų.

Yra dvi II komplekso inhibitorių klasės: vieni blokuoja sukcinato rišamąją kišenę, o kiti blokuoja ubichinolio rišamąją kišenę. Ubichinolį imituojantys inhibitoriai yra karboksinas ir tenoiltrifluoracetonas. Sukcinato inhibitoriai-analogai yra sintetinis junginys malonatas, taip pat Krebso ciklo komponentai, malatas ir oksaloacetatas. Įdomu tai, kad oksaloacetatas yra vienas iš stipriausių komplekso II inhibitorių. Kodėl bendras trikarboksirūgšties ciklo metabolitas slopina II kompleksą, lieka neaišku, nors buvo manoma, kad jis gali atlikti apsauginį vaidmenį sumažindamas atvirkštinį elektronų transportavimą komplekse I, dėl kurio susidaro superoksidas.

Ubichinolį imituojantys inhibitoriai žemės ūkyje buvo naudojami kaip fungicidai nuo 1960 m. Pavyzdžiui, karboksinas pirmiausia buvo naudojamas gydant ligas, kurias sukelia bazidiomicetai, pvz., stiebo rūdys ir bazidiomicetų ligos. Rhizoctonia. Pastaruoju metu juos pakeitė kiti junginiai, turintys platesnį slopintų patogenų spektrą. Tokie junginiai yra boskalidas, pentiopiradas ir fluopiramas. Kai kurie žemės ūkiui svarbūs grybai nėra jautrūs šios naujos kartos inhibitorių poveikiui.

Citochromo-bc1 kompleksas (citochromo kompleksas bc 1) arba ubichinolio-citochromo c-oksidoreduktazė, arba III kompleksas - elektronų pernešimo kvėpavimo grandinės daugiabaltybinis kompleksas ir svarbiausias biocheminis protonų gradiento generatorius mitochondrijų membranoje. Šį daugiaproteininį transmembraninį kompleksą koduoja mitochondrijos (citochromas b) ir branduolinius genomus.

citochromas- bс 1-kompleksas oksiduoja redukuotą ubichinoną ir redukuoja citochromą c (E°"=+0,25 V) pagal lygtį:

Elektronų transportavimas komplekse yra susijęs su protonų perkėlimu iš matricos (į) į tarpmembraninę erdvę (išorę) ir protonų gradiento susidarymu ant mitochondrijų membranos. Už kiekvienus du elektronus, einančius per transportavimo grandinę nuo ubichinono iki citochromo c, iš matricos absorbuojami du protonai, o dar keturi išleidžiami į tarpmembraninę erdvę. Sumažintas citochromas c juda išilgai membranos vandeninėje frakcijoje ir perkelia vieną elektroną kitam kvėpavimo kompleksui – citochromo oksidazei.

Įvykiai yra žinomi kaip Q ciklas, kurį 1976 m. postulavo Peteris Mitchellas. Q ciklo principas yra tas, kad H+ pernešimas per membraną vyksta oksiduojant ir redukuojant chinonus pačiame komplekse. Šiuo atveju chinonai atitinkamai duoda ir paima 2H+ iš vandeninės fazės iš skirtingų membranos pusių.

III komplekso struktūra turi du centrus arba dvi „kišenes“, kuriose gali jungtis chinonai. Vienas iš jų, Q out centras, yra tarp geležies ir sieros klasterio 2Fe-2S ir hemo b L šalia išorinės membranos pusės, nukreiptos į tarpmembraninę erdvę. Sumažintas ubichinonas (QH 2) jungiasi šioje kišenėje. Kitas, Q kišenėje, yra skirtas surišti oksiduotą ubichinoną (Q) ir yra šalia vidinės (vidinės) membranos pusės, besiliečiančios su matrica.

Būtina ir paradoksali Q ciklo veikimo sąlyga yra tai, kad puschinonų gyvavimo laikas ir būsena dviejuose surišimo centruose skiriasi. Q išėjimo centre Q yra nestabilus ir veikia kaip stiprus reduktorius, galintis paaukoti e - į mažo potencialo hemą. Q centre susidaro santykinai ilgaamžis Q −, kurio potencialas leidžia veikti kaip oksidatorius, priimantis elektronus iš hemo b H. Kitas svarbus Q ciklo taškas yra susijęs su dviejų elektronų, įtrauktų į kompleksą, skirtumu dviem skirtingais keliais. Komplekso kristalinės struktūros tyrimas parodė, kad 2Fe-2S centro padėtis kitų redokso centrų atžvilgiu gali pasislinkti. Paaiškėjo, kad Rieske baltymas turi mobilųjį domeną, kuriame iš tikrųjų yra 2Fe-2S klasteris. Priimdamas elektroną ir redukuodamas, 2Fe-2S centras keičia savo padėtį, toldamas nuo Q išėjimo centro ir hemo b L 17, pasisukus 60° ir taip artėjant prie citochromo c. Atidavęs elektroną citochromui, 2Fe-2S centras, priešingai, juda arčiau Q out centro, kad užmegztų glaudesnį kontaktą. Taigi veikia savotiškas šaudyklės, garantuojančios, kad antrasis elektronas nukeliauja į hemas b L ir b H. Kol kas tai yra vienintelis pavyzdys, kai elektronų transportavimas kompleksuose yra susijęs su mobiliuoju domenu baltymo struktūroje.

Nedidelė dalis elektronų palieka transportavimo grandinę prieš pasiekdami IV kompleksą. Dėl nuolatinio elektronų nutekėjimo į deguonį susidaro superoksidas. Dėl šios nedidelės pašalinės reakcijos susidaro visas spektras reaktyviųjų deguonies rūšių, kurios yra labai toksiškos ir vaidina svarbų vaidmenį vystant patologijas ir senėjimą). Elektroniniai nutekėjimai dažniausiai atsiranda Q vietoje. Šį procesą skatina antimicinas A. Jis blokuoja hemos b sumažintos būsenos, neleidžiant jiems išmesti elektronų į puschinoną Q, o tai savo ruožtu padidina jo koncentraciją. Semichinonas reaguoja su deguonimi, todėl susidaro superoksidas. Susidaręs superoksidas patenka į mitochondrijų matricą ir tarpmembraninę erdvę, iš kur gali patekti į citozolį. Šį faktą galima paaiškinti tuo, kad III kompleksas tikriausiai gamina superoksidą neįkrauto HOO pavidalu, kuris gali lengviau prasiskverbti pro išorinę membraną, palyginti su įkrautu superoksidu (O 2 -).

Kai kurios iš šių medžiagų naudojamos kaip fungicidai (pavyzdžiui, strobilurino dariniai, iš kurių geriausiai žinomas yra azoksistrobinas, Q ext vietos inhibitorius) ir vaistai nuo maliarijos (atovakvonas).

Citochromo c oksidazė (citochromo oksidazė) arba citochromo c deguonies oksidoreduktazė, taip pat žinoma kaip citochromo aa 3 ir kompleksas IV, yra galinė aerobinės kvėpavimo elektronų transportavimo grandinės oksidazė, katalizuojanti elektronų perkėlimą iš citochromo. Su deguoniui, kad susidarytų vanduo. Citochromo oksidazė yra visų eukariotų mitochondrijų vidinėje membranoje, kur ji paprastai vadinama IV kompleksu, taip pat daugelio aerobinių bakterijų ląstelių membranoje.

Kompleksas IV nuosekliai oksiduoja keturias citochromo c molekules ir, priimdamas keturis elektronus, redukuoja O 2 į H 2 O. Redukuojant O 2, keturi H + yra paimami iš

Elektronų transportavimo grandinės fermentai fiksuojami mitochondrijų membranoje taip, kad jų veikimas būtų vektorinis, t.y. pasižymi ne tik reakcijos greičio dydžiu, bet ir erdvine kryptimi, panašia į transportinių ATPazių veikimą. . Pagrindinė vektorizacijos kvėpavimo grandinėje apraiška yra vandenilio jonų perkėlimas iš vidinės membranos pusės (iš matricos pusės) į išorinę (į tarpmembraninę erdvę).

Kvėpavimo grandinėje yra trys taškai, susiję su protonų siurbimu: I, III ir IV kompleksai.
Kofermentas Q, dalyvaujant NADH dehidrogenazei (I kompleksas), prijungia elektronus (taip pat ir protonus) iš kvėpavimo grandinės komponentų membranos matricos pusėje, o elektronai ir protonai išsiskiria priešingoje membranos pusėje. , o elektronus priima kitas kvėpavimo grandinės komponentas, o protonai patenka į tarpmembraninę erdvę. Šis mechanizmas vadinamas Q ciklu. Citochromo c reduktazė (III kompleksas) veikia panašiai. Citochromo oksidazės (IV komplekso) srityje Cu2+ jonai gali dalyvauti protonų siurbime.
Dviejų elektronų perkėlimas per kiekvieną kompleksą leidžia pumpuoti keturis protonus. Taigi elektronų transportavimo grandinė veikia kaip protonų siurblys, pumpuojantis vandenilio jonus iš matricos į membranos išorę.
Dėl to membranos šonuose atsiranda protonų koncentracijų skirtumas ir tuo pačiu elektrinių potencialų skirtumas su pliuso ženklu išoriniame paviršiuje. Kitaip tariant, medžiagų redokso potencialo skirtumo energija paverčiama protonų elektrocheminio potencialo ArH+ energija.
Elektrocheminis potencialas verčia protonus judėti priešinga kryptimi – nuo ​​išorinio paviršiaus į vidų. ATP sintetazė yra labai didelis oligomerinis baltymas, kuriame išskiriamos trys dalys: dalis, išsikišusi į mitochondrijų matricą (F1), pastatyta iš trijų porų sf dimerų; transmembraninė dalis (F0), sudaranti hidrofilinį kanalą, ir tarpinė sritis FA. F1 subvienete yra aktyvių vietų, kurios sintetina ATP. Protonai juda ATP sintazės kanalu, o šio judėjimo energija naudojama ATP formavimui. Konkretūs sujungimo mechanizmai, ty elektrocheminio potencialo transformacija į ATP makroerginio ryšio energiją, vis dar nėra visiškai aiškūs.
Gautas ATP, dalyvaujant ADP-ATP translokazei, pernešamas iš matricos į išorinę membranos pusę ir patenka į citozolį. Tuo pačiu metu ta pati translokazė perduoda ADP priešinga kryptimi, iš citozolio į mitochondrijų matricą.
Dirbtinėmis sąlygomis, atliekant eksperimentus in vitro, iš vidinės membranos vidinio paviršiaus galima sukurti ATP perteklių. Šiuo atveju reakcija vyksta iš dešinės į kairę, ty fermentas veikia kaip transportavimo ATPazė, pernešanti protonus (H+-ATPazė). Šiuo atveju membrana yra maitinama: ArH+ atsiranda dėl ATP hidrolizės energijos.

11.3.3.1. Elektronų nešikliai

Elektronų nešikliai išsidėstę paviršiuje arba giliai vidinėje mitochondrijų membranoje, išsidėsčiusioje kryžiais, kurių skaičius ir pakavimo tankis koreliuoja su ląstelės energijos poreikiais.

Daugelis elektronų nešėjų yra baltymai, kurių protezų grupė yra hemo.

Hemo molekulės savybės priklauso nuo baltymo, prie kurio ji yra prijungta. Be to, hemai skirtinguose citochromuose gali skirtis pagal šoninių grupių struktūrą ir prisijungimo prie apoproteino būdą. Todėl citochromai gali skirtis redokso potencialu, nors visi jie turi beveik tas pačias protezų grupes.

Elektronų nešikliai vadinami citochromais, nes jie yra raudonos spalvos. Įvairūs citochromai žymimi raidžių indeksais: s 1, s, a, a 3 – jų išsidėstymo grandinėje tvarka.

Kitas nehemo geležies turinčių elektronų nešiklių tipas apima baltymus, kuriuose geležies atomai yra prijungti prie baltymų cisteino liekanų sulfhidrilo grupių, taip pat su liekanų sulfhidrilo anijonais, sudarydami geležies ir sieros kompleksus arba centrus ( 29 pav.).

Ryžiai. 29. Geležies-sieros centro struktūra

Kaip ir citochromuose, geležies atomai tokiuose centruose gali priimti ir atiduoti elektronus, pakaitomis pereidami į fero (Fe 2+) ir ferri (Fe 3+) būsenas. Geležies ir sieros centrai veikia kartu su flavino turinčiais fermentais, priimdami elektronus iš sukcinato dehidrogenazės ir dehidrogenazių, dalyvaujančių riebalų oksidacijoje.

Kitas transporterio tipas yra FMN turintis baltymas. FMN (flavino adenino mononukleotidas) yra junginys, kuris yra FAD molekulės flavino pusė. FMN perkelia elektronus iš FADN į geležies ir sieros centrus.

Visi baltymų nešikliai yra integralūs baltymai, kurie membranoje užima griežtai fiksuotą padėtį ir yra tam tikru būdu orientuoti. Išimtis yra citochromas c, kuris yra laisvai prijungtas prie išorinės membranos ir lengvai palieka ją.

Vienintelis nebaltyminis elektronų nešiklis yra ubichinonas, taip pavadintas todėl, kad, viena vertus, jis yra chinonas, kita vertus, jis randamas visur (iš anglų kalbos. visur esantis– visur esantis). Jo sutrumpintas pavadinimas yra CoQ, UQ arba tiesiog Q. Visi geležies-sieros centrai dovanoja elektronus ubichinonui.

Redukcijos metu ubikinonas įgyja ne tik elektronų, bet ir protonų (30 pav.).

30 pav. Ubichinonas – kofermentas Q (a)
ir jo redokso transformacijos (b)

Redukuojant vienu elektronu jis virsta puschinonu (organiniu laisvuoju radikalu), o redukuojant dviem elektronais virsta hidrochinonu. Tai yra tarpinis laisvojo radikalo susidarymas, leidžiantis ubichinonui būti ne dviejų, o vieno elektrono nešikliu. Labai ilga hidrofobinė uodega (40 anglies atomų dešimtyje iš eilės einančių izoprenoidų likučių) suteikia ubichinonui galimybę lengvai įsiterpti ir laisvai judėti nepoliniame vidinės mitochondrijų membranos sluoksnyje.

11.3.3.2. Vektorių vieta

Elektronų srautas tarp nešėjų nukreipiamas iš nešiklio, kurio redukcijos potencialas didesnis (t.y. mažesnis redokso potencialas) į nešiklį, kurio redukcijos potencialas mažesnis (t.y. labiau oksiduotas, didesnis redokso potencialas) (31 pav.).

31 pav. Kvėpavimo grandinės komponentų redokso potencialas mitochondrijose

Mitochondrijų grandinėje transporteriai turi skirtingą redokso potencialą.

Elektronų nešikliai grandinėje yra išdėstyti grandinėje taip, kad DG 0 (laisvoji energija) palaipsniui mažėtų ir atitinkamai didėja redokso potencialas. Kiekviename elektronų perdavimo į nešiklį, esantį šalia grandinės, etape išsiskiria laisva energija.

Gliukozės oksidacijos metu elektronai perkeliami iš NADH ir FADH 2 į deguonį. Šiame procese dalyvauja daug transporterių, tačiau juos galima suskirstyti į keturis kompleksus, kurie yra įterpti į mitochondrijų membraną.
(32 pav.).

Ryžiai. 32. Keturi elektronų transportavimo kompleksai
mitochondrijų membranoje

Tarp kompleksų elektronai juda kartu su mobiliaisiais nešėjais: ubichinonu ir citochromu c. Ubichinonas priima elektronus iš I ir II kompleksų ir perkelia juos į III kompleksą. Citochromas c tarnauja kaip tarpininkas tarp III ir IV kompleksų. Kompleksas I perkelia elektronus iš NADH į Q; II kompleksas – nuo ​​sukcinato per FADN 2 iki Q; III kompleksas naudoja QH 2, kad sumažintų citochromą c, o kompleksas IV perkelia elektronus iš citochromo Su deguoniui. I, III ir IV kompleksai vadinami atitinkamai NADH-CoQ reduktaze, CoQH 2 -citochromu. Su-reduktazė ir citochromo oksidazė. IV kompleksas – citochromo oksidazė – susideda iš kelių baltymų. Jis gauna elektronus iš citochromo Su vidinės mitochondrijų membranos išorėje. Pakeliui į deguonį šie elektronai praeina per citochromus A Ir a 3, kuriame yra vario atomų, kurie pakaitomis virsta Cu + ir Cu 2+ būsenomis. Citochromo oksidazė sumažina laisvo deguonies kiekį:

O 2 + 4 e - + 4H+® 2H2O

11.3.3.3. Mitchello chemiosmotinė teorija

Elektronų pernešimas išilgai kvėpavimo grandinės sukelia ATP susidarymą. Elektronų pernašos sujungimo su ATP sinteze mechanizmo koncepciją 1961 metais sukūrė anglų biochemikas Peteris Mitchellas (1978 m. Mitchellas buvo apdovanotas Nobelio premija). Mitchellas atrado, kad dėl elektronų srauto protonai išsiurbiami iš mitochondrijų į supančią aplinką, sukuriant protonų gradientą per membraną (mažėja išorinio tirpalo pH). Kadangi protonai yra teigiamai įkrautos dalelės, dėl jų išsiurbimo iš mitochondrijų ant membranos atsiranda elektrinio potencialo skirtumas (minusas – viduje) ir pH skirtumas (didesnis – viduje). Elektriniai ir koncentracijos gradientai kartu sudaro (pagal Mitchell) protonų varomąją jėgą, kuri yra ATP sintezės energijos šaltinis (33 pav.).

Ryžiai. 33. ATP sintezės schema vidinėje
mitochondrijų membrana

Protonų varomoji jėga varo ATP sintazės kompleksus, kurie naudoja elektronų srautą ATP sintezei iš ADP ir fosforo.Kompleksai yra specializuoti protonų kanalai (grybo formos projekcijos, dengiančios vidinį krištolo paviršių). Kompleksą sudaro du tarpusavyje sujungti komponentai F 0 F 1, kurių kiekvienas susideda iš kelių baltymų molekulių. F 0 yra įdubęs membranoje, o F 1 yra jos paviršiuje. Būtent F1 sintetinamas ATP, o F0 atlieka paties protonų kanalo funkciją (34 pav.).

34 pav. Scheminis F 0 F 1 ATP sintetazės iš E. coli „grybinės“ struktūros vaizdas. F 0 komponentas prasiskverbia pro membraną, sudarydamas kanalą protonams. Daroma prielaida, kad F 1 susideda iš trijų a ir trijų b subvienetų, išdėstytų taip, kad jie sudarytų heksamerinę struktūrą, pavyzdžiui, „grybų kepurėlę“, ir vienas g, vienas d ir vienas e subvienetas, kurie sudaro „lazdelę“, jungiančią F 0 į F 1 kanalą

Tiksliai nežinoma, kaip ATP susidaro per ATP sintetazę. Pagal vieną teoriją, vykstant protonų perkėlimui per F0 faktorių, vyksta konformaciniai pokyčiai F1 komponente, kuris sintetina ATP iš ADP ir fosforo.

Kiekvienai elektronų porai, perkeltai iš NADH į deguonį, iš mitochondrijų matricos išsiurbiama 10 protonų. Taigi 1 NADH molekulės oksidacija sukelia 2,5 ATP molekulės sintezę, o 1 FADH 2 molekulės oksidacija veda į 1,5 ATP molekulės sintezę. Anksčiau buvo manoma, kad buvo susintetintos atitinkamai trys ir dvi ATP molekulės. Šie dydžiai paprastai vadinami P/O santykiais, nes 2 elektronų perdavimas prilygsta 1 deguonies atomo redukcijai.

ATP išeiga oksiduojant gliukozės molekulę iki CO 2 ir H 2 O.

Glikolizės metu susidaro 2 ATP molekulės (4 susidaro, bet 2 suvartojamos). Glikolizės metu citoplazmoje taip pat susidaro 2 NADH molekulės 1 molekulei gliukozės. Citrinų rūgšties cikle susidaro 2 ATP molekulės (iš 1 gliukozės molekulės susidaro 2 acetil-CoA molekulės, sukeliančios du ciklo apsisukimus).

Kiekvienai 1 gliukozės molekulei piruvato dehidrogenazė gamina 2 NADH molekules, o citrinos rūgšties ciklas – 6 NADH molekules. Jų oksidacija lemia 20 ATP molekulių sintezę. Dar trys ATP molekulės susidaro dėl FADH 2 oksidacijos sukcinatui virstant fumaratu.

Bendra ATP molekulių išeiga priklausys nuo to, kokį šaudyklinį mechanizmą (glicerofosfatą ir malato aspartatą) naudoja ląstelės NADH tiekti į kvėpavimo grandinę. Glicerolio fosfato mechanizme elektronai iš NADH perkeliami į dihidroksiacetono fosfatą ir susidaro glicerolio-3-fosfatas, kuris perneša elektronus į kvėpavimo grandinę (35 pav.). Tai vyksta dalyvaujant fermentui glicerolio-3-fosfato dehidrogenazei. Citoplazminio NADH pagalba atstatomas mitochondrijų FAD, kuris yra flavoproteino – glicerolio-3-fosfato dehidrogenazės – protezinė grupė.

Ryžiai. 35. Glicerolio fosfato šaudymo mechanizmas

Kita šaudyklinė sistema – malato-aspartato sistema – perkelia elektronus iš citoplazminio NADH į mitochondrijų NAD + (36 pav.). Tai veda prie mitochondrijų NADH susidarymo, kuris toliau oksiduojamas elektronų transportavimo grandinėje. Citoplazmoje NADH redukuoja oksaloacetatą iki malato. Pastarasis su nešiklio pagalba patenka į mitochondrijas, kur redukuojant NAD + reoksiduojamas į oksaloacetatą. Pats oksaloacetatas negali išeiti iš mitochondrijų, todėl pirmiausia virsta aspartatu, kurį nešiklis perneša į citoplazmą. Citoplazmoje aspartatas deaminuojamas, virsdamas oksaloacetatu ir taip uždaro šaudyklinį mechanizmą.

36 pav. Malato-aspartato šaudyklinė sistema elektronų perdavimui

Struktūriškai ir funkciškai susijusių transmembraninių baltymų ir elektronų nešėjų sistema. Tai leidžia kaupti energiją, išsiskiriančią oksiduojant NAD*H ir FADH2 molekuliniu deguonimi transmembraninio protonų potencialo pavidalu dėl nuoseklaus elektrono perdavimo grandinėje kartu su protonų siurbimu per membraną. Eukariotų transportavimo grandinė yra lokalizuota vidinėje mitochondrijų membranoje. Kvėpavimo grandinėje yra 4 multifermentiniai kompleksai. Taip pat yra dar vienas kompleksas, kuris nedalyvauja elektronų pernešime, bet sintetina ATP.

1-oji – CoA oksidoreduktazė.

1.Priima elektronus iš NADH ir perkelia juos į kofermentą Q (ubichinoną). 2.Perkelia 4 H+ jonus į išorinį vidinės mitochondrijų membranos paviršių.

2-osios nuo FAD priklausomos dehidrogenazės.

1. FAD sumažinimas citochromo c oksidoreduktaze.

2.Priima elektronus iš kofermento Q ir perkelia juos į citochromą c.

3.Perkelia 2 H+ jonus į išorinį vidinės mitochondrijų membranos paviršių.

4-oji citochromo c deguonies oksidoreduktazė.

1.Priima elektronus iš citochromo c ir perduoda juos deguoniui, kad susidarytų vanduo.

2.Perkelia 4 H+ jonus į išorinį vidinės mitochondrijų membranos paviršių. Visi vandenilio atomai, aerobinėmis sąlygomis atskirti nuo substratų dehidrogenazėmis, pasiekia vidinę mitochondrijų membraną kaip NADH arba FADH2 dalį.

Elektronai judėdami netenka energijos -> energiją eikvoja kompleksai pumpuodami H protonus.H jonų pernešimas vyksta griežtai apibrėžtose srityse -> konjugacijos srityse.Rezultatas: Gaminamas ATP: H+ jonai praranda energiją eidami per ATP sintazę. Dalis šios energijos sunaudojama ATP sintezei. Kita dalis išsisklaido kaip šiluma.

Mitochondrijų kvėpavimo grandinė susideda iš 5 multifermentų kompleksų, kurių subvienetus koduoja ir branduoliniai, ir mitochondrijų genai. Kofermentas Q10 ir citochromas c dalyvauja elektronų pernešime. Elektronai atkeliauja iš NAD*H ir FAD"H molekulių ir yra transportuojami kvėpavimo grandine. Išsiskyrusi energija naudojama protonams transportuoti į išorinę mitochondrijų membraną, o gautas elektrocheminis gradientas naudojamas ATP sintezei naudojant kompleksą V. mitochondrijų kvėpavimo grandinė

44. Elektronų nešėjų seka ir sandara kvėpavimo grandinėje

1 kompleksas. NADH-CoQ oksidoreduktazė

Šis kompleksas taip pat turi darbinį pavadinimą NADH dehidrogenazė, jame yra FMN (flavino mononukleotidas), 22 baltymų molekulės, iš kurių 5 yra geležies ir sieros baltymai, kurių bendra molekulinė masė yra iki 900 kDa.

Priima elektronus iš NADH ir perkelia juos į kofermentą Q (ubichinoną).

Perkelia 4 H+ jonus į išorinį vidinės mitochondrijų membranos paviršių.

2 kompleksas. Nuo FAD priklausomos dehidrogenazės

Tai apima nuo FAD priklausomus fermentus, esančius vidinėje membranoje, pavyzdžiui, acil-SCoA dehidrogenazę (riebalų rūgščių oksidaciją), sukcinato dehidrogenazę (trikarboksirūgšties ciklas), mitochondrijų glicerolio-3-fosfato dehidrogenazę (NADH perkėlimą į mitochondrijas).

FAD mažinimas redokso reakcijose.

Elektronų perdavimo iš FADN2 į vidinės mitochondrijų membranos geležies-sieros baltymus užtikrinimas. Tada šie elektronai pereina į kofermentą Q.

46. ​​Oksidacijos ir fosforilinimo atskyrimo biocheminiai mechanizmai, juos sukeliantys veiksniai Kvėpavimo ir fosforilinimo atsiejimas

Kai kurios cheminės medžiagos (protonoforai) gali transportuoti protonus ar kitus jonus (jonoforus) iš tarpmembraninės erdvės per membraną į matricą, aplenkdamos ATP sintazės protonų kanalus. Dėl to elektrocheminis potencialas išnyksta ir ATP sintezė sustoja. Šis reiškinys vadinamas kvėpavimo ir fosforilinimo atsiejimu. Dėl atsiejimo ATP kiekis mažėja, o ADP didėja. Tokiu atveju didėja NADH ir FADH2 oksidacijos greitis, taip pat didėja absorbuoto deguonies kiekis, tačiau energija išsiskiria šilumos pavidalu, o P/O santykis smarkiai sumažėja. Paprastai atjungikliai yra lipofilinės medžiagos, kurios lengvai praeina per membranos lipidų sluoksnį. Viena iš šių medžiagų yra 2,4-dinitrofenolis (6-17 pav.), kuris iš jonizuotos formos lengvai pereina į nejonizuotą, tarpmembraninėje erdvėje pritvirtindamas protoną ir pernešdamas jį į matricą.

Atjungiklių pavyzdžiai taip pat gali būti kai kurie vaistai, pavyzdžiui, dikumarolis – antikoaguliantas (žr. 14 skyrių) arba organizme susidarantys metabolitai, bilirubinas – katabolizmo produktas (žr. 13 skyrių), tiroksinas – skydliaukės hormonas (žr. 11). Visos šios medžiagos turi atsijungimo efektą tik esant didelėms koncentracijoms.

Fosforilinimo išjungimas, kai išeikvojamas ADP arba neorganinio fosfato kiekis, kartu slopinamas kvėpavimas (kvėpavimo kontrolės efektas). Daugybė poveikių, pažeidžiančių mitochondrijų membraną, sutrikdo oksidacijos ir fosforilinimo ryšį, todėl elektronų perkėlimas vyksta net nesant ATP sintezės (atsijungimo efektas).

1. Bendra produkcija:

Norint susintetinti 1 ATP molekulę, reikia 3 protonų.

2. Oksidacinio fosforilinimo inhibitoriai:

Inhibitoriai blokuoja V kompleksą:

Oligomicinas - blokuoja ATP sintazės protonų kanalus.

Atraktilozidas, ciklofilinas blokuoja translokazes.

3. Oksidacinio fosforilinimo atjungikliai:

Atjungikliai yra lipofilinės medžiagos, gebančios priimti protonus ir pernešti juos per vidinę mitochondrijų membraną, aplenkdamos V kompleksą (jo protonų kanalą). Atjungikliai:

Natūralūs – lipidų peroksidacijos produktai, ilgos grandinės riebalų rūgštys; didelės skydliaukės hormonų dozės.

Dirbtiniai – dinitrofenolis, eteris, vitamino K dariniai, anestetikai.