Enzimele redox care catalizează transferul de electroni și fosforilarea oxidativă sunt localizate în stratul lipidic al membranei interioare a mitocondriilor celulare.

Transportul electronilor la oxigen în mitocondrii (Fig. 13.3) are loc în mai multe etape și este un lanț de purtători de electroni, al căror potențial redox crește pe măsură ce se apropie de oxigen (potenţialul de reducere scade în consecinţă). Aceste sisteme de transport se numesc lanțuri respiratorii.

Orez. 13.3.

Majoritatea perechilor de electroni intră în lanțul respirator datorită acțiunii enzimelor (dehidrogenaze) care folosesc coenzimele NAD+ și NADP+ ca acceptoare de electroni. Acest întreg grup de enzime se numește dehidrogenaze dependente de NAO(P).

Coenzimele NAD + (nicotinamidă adenin dinucleotidă), FAD și FMN (flavin adenin dinucleotide și flavin mononucleotide), coenzima Q (CoQ), o familie de proteine ​​care conțin hem - citocromi (denumite ca citocromi b, Q, C, A, A 3 ) iar proteinele care conţin fier non-hem sunt purtători intermediariîn lanţul respirator al organismelor superioare. Procesul începe cu transferul de protoni și electroni din substratul oxidat la coenzimele NAD+ sau FAD și formarea NADH și FADH2.

Mișcarea ulterioară a electronilor de la NADH și FADH 2 la oxigen poate fi asemănată cu rularea pe o scară, ale cărei trepte sunt purtători de electroni. Cu fiecare pas de la pas la pas, o porțiune de energie liberă este eliberată (vezi Fig. 13.3).

Trei complexe proteice (I, III, IV) și două molecule purtătoare mobile iau parte la transferul de electroni de la substraturile organice la oxigenul molecular: ubichinona (coenzima Q) și citocromul C.

Orez. 13.4. Structura moleculei hem, z = 2* sau 3 +

Succinat dehidrogenaza, care aparține de fapt ciclului Krebs, poate fi considerată și complexul II al lanțului respirator.

Complexele lanțului respirator sunt compuse din multe polipeptide și conțin o serie de coenzime redox diferite asociate cu proteine.

Purtători de electroni citocromilor(numite așa datorită culorii lor) sunt proteine ​​care conțin diferite grupe ca grup protetic pietre prețioase. Tipul de pietre prețioase b corespund hemoglobinelor. Hemul este legat covalent de o proteină (Fig. 13.4).

Comun citocromilor este capacitatea ionului de fier situat în hem de a schimba starea de oxidare la transferul unui electron:

Dehidrogenaze dependente de flavină- sunt proteine ​​în care grupările sulfhidril ale cisteinei, care face parte din proteină, sunt asociate cu atomii de fier, rezultând formarea de complexe (centre) fier-sulf. Ca și în citocromi, atomii de fier din astfel de centre sunt capabili să doneze și să accepte electroni, trecând alternativ în stări fero- (Fe +3) și fero- (Fe +2).

Centrii fier-sulf funcționează împreună cu enzimele care conțin flavină FAD sau FMN.

Phpavin adenin dinucleotidă(FAD) este un derivat al vitaminei B 2 (riboflavina). Când este redus, FAD (forma oxidată) adaugă doi atomi de hidrogen și se transformă în FADH 2 (forma redusă):

Un alt purtător de electroni aparținând acestei grupe, mononucleotida de flavină (FMN), este, de asemenea, un derivat al vitaminei B2 (se deosebește de vitamina B2 doar prin prezența unui grup fosfat).

Ambele coenzime flavină pot exista și sub formă de așa-numite semichinone- radicali liberi care se formează ca urmare a transferului unui singur electron la FAD sau FMN:

Denumirea generală pentru diferite flavoproteine ​​care diferă în componenta proteică a enzimei este FP„.

Dehidrogenaze dependente de piridină au primit acest nume deoarece coenzima pentru ei este NAD + și NADP +, ale căror molecule conțin un derivat piridină - nicotinamidă:

Reacțiile catalizate de aceste enzime pot fi reprezentate după cum urmează:

Dehidrogenazele asociate cu NAD + sunt implicate în principal în procesul respirației, adică. în procesul de transfer de electroni de la substraturi la oxigen, în timp ce dehidrogenazele asociate cu NADP+ sunt implicate în primul rând în transferul de electroni din substraturi rezultate din reacții catabolice la reacții de biosinteză reductivă.

Singurul purtător de electroni non-proteic este ubichinona, numită astfel deoarece această chinonă se găsește peste tot (de la omniprezentă- omniprezent). Este prescurtat ca CoQ sau pur și simplu Q. Când este redusă, ubichinona atașează nu numai electroni, ci și protoni. În timpul transferului de un electron se transformă în semichinonă, doi electroni - in hidrochinonă.

Secvența purtătorilor de electroni din lanțul respirator mitocondrial poate fi reprezentată prin următoarea diagramă:

Această schemă este descrisă de un lanț de reacții secvențiale:

În acest fel, prin lanțul respirator, electronii din substraturi ajung la acceptorul final - oxigenul atmosferic. Apa formată în urma acestui proces se numește apă metabolică.

Separarea hidrogenului în protoni și electroni în membrana mitocondrială este un lanț de transport de electroni care funcționează ca o pompă de protoni, pompând ioni de hidrogen din spațiul intercelular către exteriorul membranei.

Introducere

Lanțul respirator este un sistem de proteine ​​transmembranare înrudite structural și funcțional și purtători de electroni.

ETC stochează energia eliberată în timpul oxidării NADH și FADH2 cu oxigen molecular (în cazul respirației aerobe) sau alte substanțe (în cazul respirației anaerobe) sub forma unui potențial transmembranar datorat transferului secvenţial de electroni de-a lungul lanț cuplat cu pomparea protonilor peste membrană.

La procariote, ETC este localizat în CPM, la eucariote - pe membrana interioară a mitocondriilor. Purtătorii sunt localizați în funcție de potențialul lor redox transportul de electroni de-a lungul întregului lanț are loc spontan.

Mitocondriile sunt numite „stații energetice” ale celulei, deoarece în aceste organite este captată în principal energia furnizată de procesele oxidative.

Lanțul respirator

Toată energia utilă eliberată în timpul oxidării acizilor grași și aminoacizilor și aproape toată energia din oxidarea carbohidraților este folosită în mitocondrii sub formă de echivalenți reducători. Mitocondriile conțin mai mulți catalizatori care formează lanțul respirator, care captează și transportă echivalenți reducători, direcționându-i să reacționeze cu oxigenul, ducând la formarea apei. În același timp, funcționează un mecanism pentru a capta energia potențială liberă cu acumularea acesteia sub formă de fosfați de înaltă energie. Mitocondriile conțin și sisteme enzimatice care asigură formarea celor mai mulți echivalenți reducători; acestea sunt enzime de -oxidare și ciclul acidului citric (cel din urmă este o cale metabolică comună în oxidarea tuturor alimentelor majore). Această relație este prezentată în Figura 1.1.

Organizarea lanțului respirator în mitocondrii

Componentele principale ale lanțului respirator (Figura 1.1) sunt enumerate secvențial în ordinea creșterii potențialului redox. Atomii sau electronii de hidrogen se deplasează de-a lungul lanțului de la componente mai electronegative la oxigen mai electropozitiv, modificarea potențialului redox la trecerea de la sistemul NAD/NADH la sistemul O2/H2O este de 1,1 V.

Lanțul respirator principal începe de la dehidrogenaze dependente de NAD, trece prin flavoproteine ​​și citocromi și se termină cu oxigen molecular. Nu toate substraturile sunt cuplate la lanțul respirator prin dihidrogenaze dependente de NAD; unele dintre ele, având un potenţial redox relativ ridicat (de exemplu, sistemul fumarat/succinat, sunt asociate cu flavoprotein dehidrogenaze, care la rândul lor sunt asociate cu citocromii lanţului respirator (Fig. 1.3).

Recent, s-a stabilit că există un alt transportor în lanțul respirator care conectează flavoproteinele cu citocromul b, care are cel mai scăzut potențial redox dintre nitocromi. Acest transportor, numit ubichinonă sau coenzima Q (Figura 1.4), se găsește în mitocondrii în condiții aerobe sub formă de chinonă oxidată și în condiții anaerobe sub formă de chinol reducător. Coenzima Q este o componentă a lipidelor mitocondriale; printre alte lipide predomină fosfolipidele, care fac parte din membrana mitocondrială. Structura coenzimei Q este similară cu structura vitaminelor K și E. Plastochinona, găsită în cloroplaste, are și ea o structură similară. Toate aceste substanțe au un lanț lateral poliizoprenoid în structura lor. Conținutul de coenzimă Q depășește semnificativ conținutul altor componente ale lanțului respirator; aceasta sugerează că coenzima Q este o componentă mobilă a lanțului respirator care primește echivalenți reducători din complexele de flavoproteine ​​fixe și le transferă în citocromi.

Orez. 1.1.

O componentă suplimentară găsită în medicamentele cu lanț respirator activ funcțional este blocul fier-sulf FeS. Este asociat cu flavoproteine ​​și citocrom b. Fierul și sulful sunt implicate în procesul redox, care are loc printr-un mecanism cu un electron (Fig. 1.5).

Ideile moderne despre secvența componentelor principale din lanțul respirator sunt prezentate în Fig. 1.3. La capătul electronegativ al lanțului, dehidrogenazele catalizează transferul de electroni de la substraturi la NAD în lanțul respirator. Acest lucru se întâmplă în două moduri. În cazurile în care substraturile sunt acizi α-ceto, piruvat și cetoglutarat, sistemele complexe de dehidrogenază care conțin lipoat și FAD participă la transferul de electroni la NAD. Transferul de electroni de către alte dehidrogenaze folosind L(+)-3-hidroxiacil-CoA, D(-)-3-hidroxibutirat, prolină, glutamat, malitol și izocitrat ca substraturi are loc direct pe lanțul respirator NAD.

NADH redus în lanțul respirator este, la rândul său, oxidat de metaloflavoproteină NADH dehidrogenază. Această enzimă conține FeS și FMN și este strâns asociată cu lanțul respirator. Coenzima Q servește ca un colector de echivalenți reducători, care sunt furnizați de un număr de substraturi prin intermediul flavoproteindehidrogenazelor lanțului respirator. Aceste substraturi includ succinatul, colina și sarcozina (Fig. 1.3). Componenta flavină a acestor dehidrogenaze este FAD. Fluxul de electroni din coenzima Q trece apoi printr-o serie de citocromi la oxigen molecular (Figura 1.3). Citocromii sunt aranjați în ordinea creșterii potențialului redox.

Orez. 1.2.

Orez. 1.3. Componentele lanțului respirator mitocondrial FeS se află în lanțul „pe partea O2” a FP sau Cytb. Cyt - citocrom; EPFP - flavoproteină de transfer de electroni; FeS - proteină fier-sulf; FP - flavoproteină; Q - ubichinonă.

Orez. 1.4.

Orez. 1.5.

Citocromul terminal aa3 realizează etapa finală a procesului de transfer al echivalenților reducători la oxigenul molecular. Sistemul enzimatic conține cupru, o componentă esențială a adevăratelor oxidaze. Citocrom oxidaza are o afinitate foarte mare pentru oxigen, ceea ce permite lanțului respirator să funcționeze la viteză maximă până când țesutul este practic epuizat de O2. Această reacție catalizată de citocrom oxidază nu este reversibilă; determină direcția de mișcare a echivalenților reducători din lanțul respirator, care este asociată cu formarea de ATP.

Au fost înaintate o serie de ipoteze cu privire la organizarea structurală a lanțului respirator. Este semnificativ faptul că raporturile molare dintre componente sunt aproape constante. Componentele funcționale ale lanțului respirator sunt încorporate în membrana mitocondrială interioară sub forma a patru complexe proteine-lipidice ale lanțului respirator.

Orez. 1.6.

Sunt indicate regiunile în care se presupune că are loc cuplarea cu fosforilarea. BAL- dimercaprol; TTFA este un agent de chelare a fierului. complex I-NADH; ubichinona oxidoreductaza; complex II - succinat: ubichinona oxidoreductaza; complex III - ubichinol: fericitocrom c oxidoreductaza; complex IV-ferocitocrom c: oxigen oxidoreductaza.

Pe această bază, s-a ajuns la concluzia că aceste complexe au o anumită orientare spațială în membrană. Citocromul este singurul citocrom solubil și, împreună cu coenzima Q, servește ca o componentă relativ mobilă a lanțului respirator, comunicând între complexele fixate în spațiu (Fig. 1.6).

ETC este localizat în CPM, în eucariote - pe membrana interioară a mitocondriilor. Purtătorii sunt localizați în funcție de potențialul lor redox transportul de electroni de-a lungul întregului lanț are loc spontan.

Potențialul de protoni este transformat în energie de către ATP sintaza legături chimice ATP. Lucrarea conjugată a ETC și ATP sintazei se numește fosforilare oxidativă.

Lanțul de transport de electroni al mitocondriilor

Influența potențialului oxidativ

Agent de reducere	Oxidant	Ео´, В
H2	2 +	- 0,42
NAD H + H+	NAD +	- 0,32
NADP H + H+	NADP+	- 0,32
Flavoproteine ​​(reduse)	Flavoproteine ​​(oxidate)	- 0,12
Coenzima Q H2	Coenzima Q	+ 0,04
Citocromul B (Fe2+)	Citocromul B (Fe3+)	+ 0,07
Citocromul C 1 (Fe2+)	Citocromul C 1 (Fe3+)	+ 0,23
Citocromii A (Fe2+)	Citocromii A(Fe3+)	+ 0,29
Citocromii A3 (Fe2+)	Citocromii A3 (Fe3+)	+0,55
H2O	½ O2	+ 0,82

Inhibitori ai lanțului respirator

Unele substanțe blochează transferul de electroni prin complecșii I, II, III, IV.

• Inhibitori ai complexului I - barbiturice, rotenonă, piericidină
• Inhibitorul complexului II este malonatul.
• Inhibitor complex III - antimicină A, mixotiazol, stigmatelină
• Inhibitori complexi IV - hidrogen sulfurat, cianura, monoxid de carbon, oxid nitric, azida de sodiu

Lanțurile de transport de electroni ale bacteriilor

Bacteriile, spre deosebire de mitocondrii, folosesc un set mare de donatori și acceptori de electroni, precum și diferite căi de transfer de electroni între ele. Aceste căi pot fi efectuate simultan, de exemplu, E coli atunci când este cultivat pe un mediu care conține glucoză ca sursă principală materie organică, utilizează două NADH dehidrogenaze și două chinoxidaze, ceea ce înseamnă că există 4 căi de transport de electroni. Majoritatea enzimelor ETC sunt inductibile și sunt sintetizate numai dacă calea în care intră este solicitată.

Pe lângă materia organică, donatorii de electroni din bacterii pot include hidrogen molecular, monoxid de carbon, amoniu, nitriți, sulf, sulfuri și fier bivalent. În loc de NADH și succinat dehidrogenază, pot fi prezente formiat -, lactat -, gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenază, hidrogenază etc. În loc de oxidază, utilizată în condiții aerobe, în absența oxigenului, bacteriile pot folosi reductaze care reduc diverse acceptori finali de electroni: fumarat reductază, nitrat și nitrit reductază etc.

Vezi si

Scrieți o recenzie despre articolul „The respiratory chain of electron transport”

Note

Extras care caracterizează lanțul respirator al transportului de electroni

- Onoratăre, domnule general. Ei stau aici, în colibă, spuse artificiistul, apropiindu-se de Tushin.
- Acum, draga mea.
Tushin s-a ridicat și, înfăptuindu-și paltonul și îndreptându-se, s-a îndepărtat de foc...
Nu departe de focul de artilerie, în coliba pregătită pentru el, prințul Bagration stătea la cină, discutând cu câțiva dintre comandanții unității care se adunaseră cu el. Era un bătrân cu ochii pe jumătate închiși, care roadea cu lăcomie un os de oaie și un general impecabil de douăzeci și doi de ani, înroșit dintr-un pahar de vodcă și cină, și un ofițer de stat major cu un inel personalizat, iar Jherkov, uitându-se neliniștit în jur la toată lumea și la prințul Andrei, palid, cu buzele strânse și ochii febril strălucitori.
În colibă ​​stătea un banner francez luat, sprijinit în colț, iar auditorul cu o față naivă a simțit țesătura bannerului și, perplex, a clătinat din cap, poate pentru că era cu adevărat interesat de aspectul bannerului, și poate. pentru că îi era greu flămând să se uite la cina pentru care nu avea destule ustensile. În coliba următoare se afla un colonel francez capturat de dragoni. Ofițerii noștri s-au înghesuit în jurul lui, privindu-l. Prințul Bagration a mulțumit comandanților individuali și a întrebat detaliile cazului și pierderile. Comandantul de regiment, care s-a prezentat lângă Braunau, a raportat domnitorului că, de îndată ce a început treaba, s-a retras din pădure, a adunat tăietori de lemne și, lăsându-i să treacă pe lângă el, cu două batalioane lovite cu baioneta și i-a răsturnat pe francezi.
- Cum am văzut, Excelența Voastră, că primul batalion s-a supărat, am stat pe drum și m-am gândit: „Le voi lăsa să treacă și le voi întâlni cu foc de luptă”; Așa am făcut.
Comandantul de regiment a vrut atât de mult să facă asta, a regretat atât de mult că nu a avut timp să facă asta, încât i se părea că toate acestea s-au întâmplat de fapt. Poate chiar s-a întâmplat? Era posibil să distingem în această confuzie ce era și ce nu era?
„Și trebuie să remarc, Excelență”, a continuat el, amintindu-și conversația lui Dolokhov cu Kutuzov și ultima sa întâlnire cu bărbatul retrogradat, „că soldatul, retrogradat, Dolokhov, a capturat un ofițer francez în fața ochilor mei și mai ales s-a remarcat.”
„Aici am văzut, Excelența Voastră, un atac al pavlogradienilor”, interveni Jherkov, privind neliniștit în jur, care nu-i văzuse deloc pe husari în ziua aceea, ci auzise despre ei doar de la un ofițer de infanterie. - Au zdrobit două pătrate, Excelența Voastră.
La cuvintele lui Jherkov, unii au zâmbit, ca întotdeauna așteptând o glumă de la el; dar, observând că ceea ce spunea tindea și spre gloria armelor noastre și a zilei noastre, au căpătat o expresie serioasă, deși mulți știau foarte bine că ceea ce spunea Jherkov este o minciună, bazată pe nimic. Prințul Bagration se întoarse către bătrânul colonel.
– Vă mulțumesc tuturor, domnilor, toate unitățile au acționat eroic: infanterie, cavalerie și artilerie. Cum au rămas două arme în centru? – întrebă el, căutând pe cineva cu ochii. (Prințul Bagration nu a întrebat de armele de pe flancul stâng; știa deja că toate armele fuseseră abandonate acolo chiar de la începutul chestiunii.) „Cred că te-am întrebat”, se întoarse către ofițerul de serviciu la sediul central.
„Unul a fost lovit”, a răspuns ofițerul de serviciu, „și celălalt, nu pot să înțeleg; Eu însumi am fost acolo tot timpul și am dat ordine și pur și simplu am plecat... Era cald, într-adevăr”, a adăugat el modest.
Cineva a spus că căpitanul Tushin stă aici lângă sat și că deja trimiseseră după el.
„Da, acolo erai”, a spus prințul Bagration, întorcându-se către prințul Andrei.
„Ei bine, nu ne-am mutat împreună un pic”, a spus ofițerul de serviciu, zâmbindu-i plăcut lui Bolkonsky.
„Nu am avut plăcerea să te văd”, a spus prințul Andrei, rece și brusc.
Toată lumea a tăcut. Tushin apăru în prag, făcându-și timid drum din spatele generalilor. Plimbându-se în jurul generalilor într-o colibă ​​înghesuită, stânjenit, ca întotdeauna, de vederea superiorilor săi, Tushin nu a observat catargul steagului și s-a împiedicat de el. Câteva voci au râs.
– Cum a fost abandonată arma? – întrebă Bagration, încruntându-se nu atât la căpitan, cât la cei care râdeau, printre care vocea lui Jherkov se auzea cel mai tare dintre toți.
Tushin doar acum, la vederea autorităților formidabile, și-a imaginat îngrozit vinovăția și rușinea pentru faptul că el, după ce rămăsese în viață, pierduse două arme. Era atât de entuziasmat încât până în acel moment nu a avut timp să se gândească la asta. Râsul ofițerilor l-a derutat și mai mult. Stătea în fața lui Bagration cu o falcă inferioară tremurândă și abia spuse:
– Nu știu... Excelența Voastră... nu erau oameni, Excelența Voastră.
– L-ai fi putut lua de pe acoperiș!
Tushin nu a spus că nu există acoperire, deși acesta era adevărul absolut. Îi era teamă să dezamăgească un alt șef din cauza asta și, în tăcere, cu ochii ațintiți, se uită drept în fața lui Bagration, ca un student confuz se uită în ochii unui examinator.
Tăcerea a fost destul de lungă. Prințul Bagration, aparent nedorind să fie strict, nu avea nimic de spus; restul nu îndrăzneau să intervină în conversaţie. Prințul Andrei se uită la Tushin de sub sprâncene și degetele i se mișcau nervos.
„Excelența voastră”, a întrerupt prințul Andrei tăcerea cu vocea lui ascuțită, „te-ai demnit să mă trimiți la bateria căpitanului Tushin”. Am fost acolo și am găsit două treimi dintre bărbați și cai uciși, două arme stricate și fără acoperire.
Prințul Bagration și Tushin se uitau acum la fel de încăpățânați la Bolkonsky, care vorbea reținut și entuziasmat.
„Și dacă, Excelență, permiteți-mi să-mi exprim părerea”, a continuat el, „atunci succesul zilei îi datorăm mai ales acțiunii acestei baterii și forței eroice a căpitanului Tushin și a companiei sale”, a spus Prințul. Andrei și, fără să aștepte un răspuns, s-a ridicat imediat și s-a îndepărtat de masă.

Componentele lanțului respirator sunt proteine ​​enzimatice cu grupuri protetice cu greutate moleculară mică relativ strâns legate. Astfel de complexe la eucariote sunt localizate în partea interioară a membranei mitocondriale, iar în procariote - în membrana plasmatică. Mecanismul de acțiune și localizarea componentelor lanțului respirator în ambele membrane sunt în mare măsură similare.

Componentele lanțului respirator scufundat într-un strat dublu lipidic. Vorbim despre un număr mare de enzime, coenzime și grupări protetice, diverse dehidrogenaze și sisteme de transport implicate în transferul de electroni și hidrogen. Componentele proteice pot fi izolate de membrană. Lanțurile respiratorii ale microorganismelor constau din următorii cei mai importanți purtători localizați pe membrană de atomi de hidrogen sau electroni: flavoproteine, proteine ​​fier-sulf, chinone și citocromi.

Flavoproteine – coenzime care conțin vitamina B2, iar grupele protetice din acestea sunt mononucleotide de flavină (FMN) sau dinucleotide de flavin adenină (FAD).

Flavoproteinele efectuează transferul atomilor de hidrogen, adică sunt dehidrogenaze. O dehidrogenază care conține FMN ca grup protetic este NADP H2 dehidrogenaza. Acesta este purtătorul de pornire în lanțul respirator, care efectuează transferul hidrogenului de la NADP H2 la următoarele componente ale lanțului respirator. Dehidrogenaza conținută ca grup protetic al FAD acționează ca succinat dehidrogenază. Catalizează oxidarea acidului succinic la acid fumaric în ciclul TCA. Atomii de hidrogen din FAD H2 merg direct la chinone situate în ultimele etape ale lanțului de transport de electroni.

Proteine ​​fier-sulf (Proteinele FeS) conțin centri fier-sulf în care atomii de fier sunt legați, pe de o parte, de sulful aminoacidului cisteină și, pe de altă parte, de sulf sulfurat anorganic (Fig. 4).

Centrii de sulf de fier sunt componente ale unor flavoproteine ​​(de exemplu, succinat dehidrogenaza și NADP H2 dehidrogenaza) sau servesc ca singurele grupări protetice de proteine. Lanțurile respiratorii conțin număr mare centre FeS. Centrii de sulf de fier, în funcție de structura lor, pot efectua transferul simultan a unuia sau a doi electroni, care este asociat cu o schimbare a valenței atomilor de fier.

Orez. 4. Centri de sulf de fier (centri FeS) ai proteinelor

Chinone – compuși liposolubili. La bacteriile gram-negative sunt reprezentate de ubichinonă (coenzima Q) sau menachinonă (Fig. 5).

Orez. 5. Chinone ale bacteriilor gram-negative: A – coenzima Q (ubichinona); B – menachinonă

Chinonele sunt lipofile și, prin urmare, sunt localizate în faza lipidică a membranei. Ei poartă atomi de hidrogen. În comparație cu alte componente ale lanțului respirator, chinonele se găsesc în exces de 10-15 ori. Ele servesc ca „colectori” de hidrogen furnizat de diferite coenzime și grupări protetice din lanțul respirator și îl transferă în citocromi. Astfel, ele funcționează în lanțul respirator în zona dintre flavoproteine ​​și citocromi.

Citocromi ia parte la stadiu finalîn lanțul de transport de electroni. Electronii le vin din chinone. Citocromii conțin hem ca grup protetic. Citocromii sunt colorați; diferă între ele în spectre de absorbție și potențiale redox. Există citocromi A, A 3 , b, c, oși un număr de altele. Citocromul cel mai răspândit Cu. Se găsește în aproape toate organismele care au un lanț respirator. Citocromii finali (terminali) ai lanțului respirator sunt citocromii A+ A 3 sau citocrom oxidaza. Ei transferă electroni la oxigenul molecular, adică catalizează reducerea oxigenului molecular la apă. Centrul de reacție al citocrom oxidazei, pe lângă doi hemi, conține doi atomi de cupru.

Lanțul respirator are următoarele caracteristici:

1) Unele dintre componentele sale transferă numai atomi de hidrogen, în timp ce altele transferă doar electroni.

2) Purtătorii de atom de hidrogen și purtătorii de electroni alternează secvenţial în lanțul respirator. Flavoproteinele și chinonele efectuează transferul atomilor de hidrogen, iar proteinele FeS și citocromii efectuează transferul de electroni.

3) Au fost identificate anumite diferențe în compoziția lanțurilor respiratorii ale microorganismelor.

PRELERE despre BH

pentru studenti _ 2 __ desigur terapeutic facultate

Subiect Oxidarea biologică 2. Respirația tisulară. Fosforilarea oxidativă.

Timp 90 min.

Obiective educaționale și educaționale:

Oferă o introducere:

Despre structura lanțului respirator (RC), inhibitori; mecanisme de funcționare DC; punctele de interfață, valorile ORP ale componentelor DC. Despre raportul P/O și semnificația acestuia.

Despre respirația liberă și deconectată. Despre teoriile conjugării lui OF.

Despre mecanismul de generare Н +.

Despre structura și funcțiile protonului ATPazei; despre mecanismul de separare.

Despre fosforilarea oxidativă (pH și ); despre mecanismele termogenezei, rolul țesutului adipos brun.

Despre rol metabolismul energetic; Căi de utilizare a H + și ATP. Despre aspecte aplicate ale bioenergiei.

Despre modurile de consum de O 2 în organism (mitocondrial, microzomal, peroxid). Despre caracteristicile DC microzomale în comparație cu DC mitocondriale. Despre caracteristicile citocromului P 450, funcții.

Despre oxidarea peroxidului. Despre mecanismul de formare a speciilor reactive de oxigen O 2 - , O 2 , O 2 . Despre rolul proceselor de peroxid în condiții normale și patologice. Despre peroxidarea lipidelor (LPO): (NEFA → R  → diene conjugate → hidroperoxizi → MDA). Despre metode de evaluare a activității LPO.

Despre protectia antioxidanta: enzimatica si non-enzimatica. Despre caracteristicile SOD, catalaza, glutation peroxidaza, GSH reductaza, sistemele de reproducere a NADPH. Despre AOS neenzimatice: vitaminele E, A, C, carotenoide, histidina, corticosteroizi, bilirubina, uree etc.

LITERATURĂ

Berezov T.T., Korovkin B.F. Chimie biologică. M.: Medicină, 1990. S. 213–220; 1998. p. 305–317.

Nikolaev A. Ya. Chimie biologică. M.: facultate, 1989. p. 199–221.

Adiţional

Filippovici Yu B. Fundamentele biochimiei. M.: Şcoala superioară, 1993. p. 403–438.

Murray R. şi colab. Biochimia umană. M.: Mir, 1993. T. 1. p. 111–139.

Leninger A. Fundamentele biochimiei. M.: Mir, 1985. T. 2. p. 403–438, 508–550.

Alberts B. Și etc., Biologia moleculară a celulei. M.: Mir, 1994.T. 1. p. 430–459.

Skulachev V.P. Energia membranelor biologice. M.: Știință. 1989.

SUPORT MATERIAL

1. Prezentare multimedia.

CALCULUL TIMPULUI DE STUDIU

	Lista de întrebări educaționale	Cantitatea de timp alocat în minute
	Structura lanțului respirator (RC), complexele sale, inhibitorii. Mecanismul de funcționare al DC. Puncte de interfață, valori ORP ale componentelor DC. Raportul R/O, semnificația acestuia.
	Respirație liberă și deconectată. Teorii ale conjugării OF (chimic, conformațional, chemiosmotic - P. Mitchell).
	Mecanismul de generare a lui Н +, componentele sale, stoichiometria lui Н + /е.
	Structura și funcția protonului ATPazei. Mecanism de deconectare.
	OF (înlăturarea pH și ). Mecanismele termogenezei. Rolul țesutului adipos brun.
	Rolul fundamental al metabolismului energetic. Căi de utilizare a H + și ATP. Aspecte aplicate ale bioenergiei.
	Căi de consum de O2 în organism (mitocondrial, microzomal, peroxid). Caracteristicile DC microzomale, comparația sa cu DC mitocondrială. Caracteristicile citocromilor P 450, funcția lor.
	Oxidarea peroxidului. Mecanismul de formare a speciilor reactive de oxigen O 2 -, O 2, O 2. Rolul proceselor de peroxid în condiții normale și patologice. Înțelegerea generală a LPO (NEFA → R  → dienă conjugate → hidroperoxizi → MDA). Metode de evaluare a activității LPO.
	Protectie antioxidanta: enzimatica si non-enzimatica. Caracteristicile SOD, catalaza, glutation peroxidază, GSH reductază, sisteme de reproducere a NADPH. AOS non-enzimatice: vitaminele E, A, C, carotenoide, histidină, corticosteroizi, bilirubină, uree etc.

Doar 90 min

1. Structura lanțului respirator (RC), complexe, inhibitori. Mecanismul de funcționare. Puncte de interfață, valori ORP ale componentelor DC. Coeficientul R/o, semnificația acestuia.

Lanțul respirator.

„Combustie controlată” etapă cu etapă se realizează prin includerea intermediară a enzimelor respiratorii cu potențiale redox diferite. Potential redox (potenţial redox) determină direcţia transferului de protoni şi electroni de către enzimele lanţului respirator (Fig. 1).

Potenţialul redox este exprimat valoarea forței electromotoare (în volți), care apare în soluție între un agent oxidant și un agent reducător prezent la o concentrație de 1,0 mol/l la 25˚ C (la pH = 7,0, ambele sunt în echilibru cu electrodul, care poate accepta reversibil electronii de la agentul reducător). ). La pH=7,0, potențialul redox al sistemului H 2 /2H + +2ē este egal cu – 0,42 v. Semn – înseamnă că această pereche redox renunță cu ușurință la electroni, adică. joacă rolul de agent reducător, semn + indică capacitatea unei perechi redox de a accepta electroni, adică joacă rolul unui agent oxidant. De exemplu, potențialul redox al perechii NADH∙H + / NAD + este – 0,32 v, ceea ce indică capacitatea sa mare de a dona electroni, iar cuplul redox ½O 2 /H 2 O are cea mai mare valoare pozitivă de +0,81 v, acestea. Oxigenul are cea mai mare capacitate de a accepta electroni.

În timpul oxidării AcCoA în ciclul TCA, forme reduse de NADH2 și FADH2 intră în DC, unde energia electronilor și protonilor este transformată în energia legăturilor de înaltă energie ale ATP.

DC este un set de dehidrogenaze care transportă electroni și protoni de la substrat la oxigen.

Principiile de funcționare ale DC se bazează pe prima și a doua lege a termodinamicii.

Forța motrice a DC este diferența de ORP. Diferența totală a întregului DC este de 1,1 V. Punctele de fosforilare ar trebui să aibă o diferență ORP = 0,25 - 0,3 V.

1. Perechea NAD-H are un ORP = 0,32 V.

2. perechea Q-b- / - /- - 0 V.

3. O2 - are +0,82 V.

DC este localizat în membrana interioară a mitocondriilor și are 2 moduri de introducere a electronilor și protonii sau 2 intrări; DC formează 4 complexe.

Intrarea 1: dependentă de NAD (electronii și protonii provin din toate reacțiile dependente de NAD).

Intrarea 2: dependentă de FAD

PESTE ---->AF

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

Acid succinic ---->FP

Lanțul respirator este o formă de implementare a oxidării biologice.

Respirația tisulară este o secvență de reacții redox care apar în membrana mitocondrială interioară cu participarea enzimelor lanțului respirator. Lanțul respirator are o organizare structurală clară a componentelor sale complexe respiratorii, a căror aranjare depinde de valoarea potenţialului lor redox (Fig. 5.1). Numărul de lanțuri respiratorii dintr-o singură mitocondrie din celule din diferite țesuturi nu este același: în ficat - 5000, în inimă - aproximativ 20.000, prin urmare, miocardiocitele se disting printr-o respirație mai intensă decât hepatocitele.

Orez. 5.1 Ordinea de aranjare a complexelor lanțului respirator în membrana mitocondrială internă

Înainte de a ne concentra asupra caracteristicilor fiecăreia dintre componentele lanțului respirator, să ne familiarizăm cu substraturile respirației tisulare.

Substraturi ale respirației tisulare sunt impartite in 2 grupe:

dependent de NAD– Substraturile ciclului Krebs izocitrat, α-cetoglutarat și malat. Aceștia sunt, de asemenea, piruvat, hidroxibutirat și β-hidroxi-acil~CoA, glutamat și alți alți aminoacizi. Hidrogen din substraturi dependente de NAD folosind Dehidrogenaze dependente de NAD transmisă la primul complex al lanțului respirator.

dependent de FAD - succinat, glicerol-3-fosfat, acil~CoA și alții. Hidrogenul din substraturile dependente de FAD este transferat în complexul II al lanțului respirator.

La dehidrogenarea substraturilor Dehidrogenaze dependente de NAD se formează o formă redusă de NAD (NADH∙H +).

Este indicată forma oxidată a coenzimei NAD+. Această coenzimă este o dinucleotidă ( nicotinamidă-Adenin-dinucleotidă): o nucleotidă conține vitamina PP (nicotinamidă), cealaltă este AMP. Capacitatea coenzimei de a juca rolul unui purtător intermediar de hidrogen este asociată cu prezența vitaminei PP în structura sa. În formă electron-proton, procesul de hidrogenare-dehidrogenare reversibilă poate fi reprezentat prin ecuația (R este restul coenzimei):

NADH∙H + se poate forma nu numai în mitocondrii, ci și în citosolul celulei în timpul anumitor procese metabolice. Cu toate acestea, coenzima citoplasmatică nu poate pătrunde în mitocondrii. Hidrogenul coenzimei reduse trebuie mai întâi transferat pe substraturi care poate sa pătrunde în mitocondrii. Astfel de „substraturi de transfer de H2” sunt:

Oxalacetat → malat

Acetoacetat → β-hidroxibutirat

Dihidroxiacetonă fosfat → glicerol-3-fosfat

NADH∙H+ este apoi oxidat de complexul 1 al lanțului respirator. Să luăm în considerare funcționarea acestui complex.

eu – NADH∙H + -ubichinona oxidoductaza.

Primul complex este cel mai mare din lanțul respirator (reprezentat prin 23-30 de subunități). El catalizează transferul de hidrogen de la NADH∙H + la ubichinonă (Fig. 5.1 și Fig. 5.3). Conține coenzima FMN (mononucleotidă de flavină) și proteine ​​fier-sulf care conțin fier non-hem. Funcția acestor proteine ​​este în separarea fluxului de protoni și electroni: electronii sunt transferați de la FMN∙H 2 pe suprafața interioară a membranei mitocondriale interioare (cu fața către matrice), iar protonii sunt transferați pe suprafața exterioară a membranei interioare și apoi eliberați în matricea mitocondrială.

În timpul transportului de protoni și electroni, potențialul redox al primului complex scade cu 0,38 v, ceea ce este destul de suficient pentru sinteza ATP. Cu toate acestea, ATP nu se formează în complexul în sine, iar energia eliberată ca urmare a funcționării complexului este acumulată (vezi mai jos pentru formarea potențialului electrochimic) și parțial disipată sub formă de căldură.

Din punct de vedere al structurii sale, FMN este o mononucleotidă în care baza azotată este reprezentată de miezul izoaloxazin al riboflavinei, iar pentoza este ribitol (cu alte cuvinte, FMN este forma fosforilată a vitaminei B2).

Funcția FMN este de a accepta 2 atomi de hidrogen din NADH∙H + și de a-i transfera la proteinele fier-sulf. Hidrogenul (2 electroni și 2 protoni) se atașează de atomii de azot ai inelului izoaloxazin și are loc o rearanjare intramoleculară a dublelor legături pentru a forma semichinona intermediară, un compus de natură radicalică (prezentat în diagramă). total ecuația reacției, unde R este restul moleculei)

II complex de lanț de respirație tisulară - succinat ubichinona oxidoreductaza.

Acest complex are mai puțin greutate moleculară si contine si proteine ​​fier-sulf. Succinat ubichinona oxidoreductaza catalizează transferul de hidrogen din succinate la ubichinonă. Complexul include coenzima FAD (flavin adenin dinucleotide) și enzima succinat dehidrogenază, care este, de asemenea, o enzimă a ciclului Krebs. Acil~SCoA, 3-fosfo-glicerat și dihidroxiacetonă fosfat Sunt, de asemenea, substraturi dependente de FAD ale respirației tisulare și, cu ajutorul acestei coenzime, intră în contact cu al doilea complex.

Orez. 5.3 Primul complex al lanțului respirator

Energia de includere a substraturilor de hidrogen în complexul II al lanțului de respirație tisulară este disipată în principal sub formă de căldură, deoarece în această parte a lanțului potențialul redox scade ușor și această energie nu este suficientă pentru sinteza ATP.

Procesul de restaurare a FAD decurge similar cu cel al FMN.

Coenzima Q sau ubichinona este un compus hidrofob, este o componentă a membranelor celulare, se găsește în concentrații mari și aparține grupului de vitamine. aparține grupului de vitamine.

Ubichinona (coenzima Q). Ubichinona este o moleculă lipofilă mică, structura chimica care este o benzochinonă cu un lanț lateral lung (numărul de unități izoprenoide variază de la 6 la bacterii până la 10 la mamifere).

În lanțul respirator, coenzima Q este un fel de depozit (bază) de hidrogen, pe care îl primește din diferite flavoproteine. Natura lipofilă a moleculei de ubichinonă determină capacitatea acesteia de a se mișca liber în faza lipidică a membranei mitocondriale, interceptând protoni și electroni nu numai din complexele I și II ale lanțului respirator, ci și captând protoni din matricea mitocondrială. În acest caz, ubichinona este redusă pentru a forma un produs de radical liber intermediar, semichinona.

Forma redusă a ubichinonei, ubichinolul, transferă protoni și electroni către complexul III al lanțului respirator.

Citocrom oxidaza are o afinitate mare pentru oxigen și poate funcționa la concentrații scăzute de oxigen.

aa 3 - este format din 6 subunități, fiecare dintre ele conține hem și un atom de cupru. 2 subunități alcătuiesc citocromul a, iar restul de 4 aparțin citocromului a 3.

Între NAD și AF, b-c, a-a3, există o diferență maximă de ORP. Aceste puncte sunt locul sintezei ATP (locul fosforilării ADP).

III complexul lanțului respirator al țesuturilor – ubichinol-citocrom C oxidoreductaza. Complexul III include citocromilorbȘi Cu 1 aparținând grupului de proteine ​​complexe cromoproteinele. Grupul protetic al acestor proteine ​​este colorat (croma - vopsea) și este apropiat ca structură chimică de hemul hemoglobinei. Cu toate acestea, spre deosebire de hemoglobina și oxihemoglobina, în care fierul ar trebui să fie doar în formă divalentă, fierul din citocromi în timpul funcționării lanțului respirator trece din starea divalentă în starea trivalentă (și invers).

După cum sugerează și numele, complexul III transferă electroni de la ubichinol la citocromul C. În primul rând, electronii merg la forma oxidată a citocromului b (Fe 3+), care este redusă (Fe 2+), apoi citocromul b redus transferă electroni la forma oxidată a citocromului c, care este, de asemenea, redusă și, la rândul său, transferă electroni în citocromul C.

membrana mitocondrială de la complexul III la complexul IV și înapoi. În acest caz, 1 moleculă de citocrom C, oxidată și redusă alternativ, transferă 1 electron.

IV complex al lanțului respirator – citocrom C oxidaza. Complexul este numit oxidaza datorită capacității de a interacționa direct cu oxigenul. La mamifere, această proteină transmembranară mare (~200 kD) constă din 6-13 subunități, dintre care unele sunt codificate de ADN-ul mitocondrial. Complexul IV conține 2 cromoprotene - citocromA Și citocromA 3 . Spre deosebire de alți citocromi, citocromii AȘi A 3 fiecare conține nu numai un atom de fier, ci și un atom de cupru. În timpul transportului de electroni, cuprul din acești citocromi alternează, de asemenea, între stările oxidate (Cu 2+) și reduse (Cu +).

Citocrom Cu-oxidaza catalizează oxidarea cu un electron a 4 molecule de citocrom reduse Cuși, în același timp, efectuează reducerea completă (4-electroni) a moleculei de oxigen:

4 citocromi Cu(Fe2+) + 4H + + O24 citocrom Cu(Fe3+) + H20

Protonii pentru formarea moleculelor de apă provin din matrice. Trebuie remarcat faptul că această reacție este foarte complexă și trece prin etape intermediare ale formării radicalilor liberi de oxigen.

Potențialul redox al complexului IV este cel mai mare (+0,57 v), energia sa este destul de suficientă pentru sinteza a 3 molecule de ATP, dar cea mai mare parte a acestei energii este folosită pentru a „pompa” protoni din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar. Din cauza transport activ citocromul de protoni Cu-oxidaza a fost numită „pompa de protoni”.

Astfel, respirația tisulară este procesul de transport al electronilor și protonilor din substraturile dependente de NAD sau FAD la oxigen, precum și protonii furnizați de matricea mitocondrială. În timpul transportului, potențialul redox scade, ceea ce este însoțit de eliberarea de energie conținută în substraturile respirației tisulare. Restaurarea completă a oxigenului molecular din aer în lanțul respirator este însoțită de formarea apei.