Zinxhiri transportues i hidrogjenit dhe elektroneve (zinxhiri respirator). Komplekset e transferimit të elektroneve. Fosforilimi oksidativ. Teoria kimiosmotike e oksidimit dhe fosforilimit. Mekanizmat për bashkimin e procesit të transportit të elektroneve me formimin e ATP. Respiratore

Fosforilimi oksidativ

Mekanizmi i fosforilimit oksidativ u propozua për herë të parë nga Peter Mitchell. Sipas kësaj hipoteze, transferimi i elektroneve që ndodh në membranën e brendshme mitokondriale shkakton pompimin e joneve H + nga matrica mitokondriale në hapësirën ndërmembranore. Kjo krijon një gradient të përqendrimit të joneve H + midis citosolit dhe hapësirës së mbyllur intramitokondriale. Jonet e hidrogjenit janë normalisht në gjendje të kthehen në matricën mitokondriale vetëm në një mënyrë - përmes një enzime të veçantë që formon ATP - ATP sintaza.

Sipas koncepteve moderne, membrana e brendshme mitokondriale përmban një numër kompleksesh multienzimash, duke përfshirë shumë enzima. Këto enzima quhen enzima respiratore, dhe sekuenca e vendndodhjes së tyre në membranë quhet zinxhiri i frymëmarrjes (zinxhiri i transportit të elektroneve).

Parimi i përgjithshëm i fosforilimit oksidativ

Në përgjithësi, puna e zinxhirit të frymëmarrjes është si më poshtë:

1. NADH dhe FADH 2 të formuara në reaksionet e katabolizmit transferojnë atomet e hidrogjenit (d.m.th., protonet e hidrogjenit dhe elektronet) në enzimat e zinxhirit të frymëmarrjes.
2. Elektronet lëvizin nëpër enzimat e zinxhirit të frymëmarrjes dhe humbasin energji.
3. Kjo energji përdoret për të pompuar protonet H+ nga matrica në hapësirën ndërmembranore.
4. Në fund të zinxhirit të frymëmarrjes, elektronet godasin oksigjenin dhe e reduktojnë atë në ujë.
5. Protonet H+ nxitojnë përsëri në matricë dhe kalojnë përmes sintazës ATP.
6. Në të njëjtën kohë, ata humbasin energjinë, e cila përdoret për sintezën e ATP.

Kështu, format e reduktuara të NAD dhe FAD oksidohen nga enzimat e zinxhirit të frymëmarrjes, për shkak të të cilave fosfati i shtohet ADP, domethënë fosforilimi. Prandaj, i gjithë procesi quhet fosforilim oksidativ.

Ku induktohet potenciali i protonit? Potenciali i protonit konvertohet nga sintaza ATP në energjinë e lidhjes kimike të ATP. Puna e konjuguar e ETC dhe ATP sintazës quhet fosforilim oksidativ.

Në mitokondritë eukariote, zinxhiri i transportit të elektroneve fillon me oksidimin e NADH dhe reduktimin e ubiquinone Q nga kompleksi I. Më pas, kompleksi II oksidon suksinatin në fumarat dhe redukton ubiquinone Q. Ubiquinone Q oksidohet dhe reduktohet nga kompleksi III i citokromit c. Në fund të zinxhirit, kompleksi IV katalizon transferimin e elektroneve nga citokromi c në oksigjen për të formuar ujë. Si rezultat i reaksionit, për çdo 6 protone dhe 6 elektrone të lëshuara në mënyrë konvencionale, lirohen 2 molekula uji për shkak të shpenzimit të 1 molekulës O2 dhe 10 molekulave NAD∙H.

Kompleksi I ose kompleksi i dehidrogjenazës NADH oksidon NAD-H. Ky kompleks luan një rol qendror në proceset e frymëmarrjes qelizore dhe. Pothuajse 40% e gradientit të protonit për sintezën e ATP krijohet nga ky kompleks. Kompleksi I oksidon NADH dhe redukton një molekulë ubiquinone, e cila lëshohet në membranë. Për çdo molekulë NADH të oksiduar, kompleksi transferon katër protone nëpër membranë. Kompleksi i dehidrogjenazës NADH merr dy elektrone prej tij dhe i transferon ato në ubikinon. Ubiquinone është i tretshëm në lipide. Ubikinoni brenda membranës shpërndahet në kompleksin III. Në të njëjtën kohë, kompleksi I pompon 2 protone dhe 2 elektrone nga matrica në mitokondri.

Zinxhiri i transportit të elektroneve të kompleksit I. Shigjeta gri - rrugë transporti e pamundur ose tashmë e zhdukur

Grupi N5 ka një potencial shumë të ulët dhe kufizon shpejtësinë e rrjedhës totale të elektroneve në të gjithë zinxhirin. Në vend të ligandëve të zakonshëm për qendrat e squfurit të hekurit (katër mbetje cisteine), ai koordinohet nga tre mbetje cisteine ​​dhe një mbetje histidine, dhe gjithashtu është i rrethuar nga mbetje polare të ngarkuara, megjithëse ndodhet thellë në enzimë.

Grupi N7 është i pranishëm vetëm në kompleksin I të disa baktereve. Ai është hequr ndjeshëm nga grupimet e tjera dhe nuk mund të shkëmbejë elektrone me to, kështu që me sa duket është një relike. Në disa komplekse bakteriale të lidhura me kompleksin I, u gjetën katër mbetje të konservuara të cisteinës midis N7 dhe grupimeve të tjera, dhe në kompleksin bakterial I. Aquifex aeolicus u zbulua një grup shtesë Fe 4 S 4 që lidh N7 me grupimet e mbetura. Nga kjo rezulton se A. aeolicus kompleksi I, përveç NADH, mund të përdor një dhurues tjetër elektroni, i cili i transferon ato përmes N7.

Kompleksi i dehidrogjenazës NADH oksidon NADH të formuar në matricë gjatë ciklit të acidit trikarboksilik. Elektronet nga NADH përdoren për të rivendosur transportuesin e membranës, ubiquinone Q, i cili i transferon ato në kompleksin tjetër të zinxhirit të transportit të elektroneve mitokondriale, kompleksin III ose citokromin. para Krishtit 1-kompleks.

Kompleksi i dehidrogjenazës NADH funksionon si një pompë protonike: për çdo NADH të oksiduar dhe Q të reduktuar, katër protone pompohen përmes membranës në hapësirën ndërmembranore:

Potenciali elektrokimik i krijuar gjatë reaksionit përdoret për të sintetizuar ATP. Reagimi i katalizuar nga kompleksi I është i kthyeshëm, një proces i quajtur reduktim aerobik i NAD+ i shkaktuar nga suksinati. Në kushtet e potencialit të lartë të membranës dhe ubikinoleve të reduktuara tepër, kompleksi mund të reduktojë NAD+ duke përdorur elektronet e tyre dhe të kalojë protonet përsëri në matricë. Ky fenomen zakonisht ndodh kur ka shumë suksinat, por pak oksaloacetat ose malat. Reduktimi i ubiquinone kryhet nga enzimat succinate dehydrogenase, ose mitokondriale. Në kushtet e një gradienti të lartë të protonit, afiniteti i kompleksit për ubiquinol rritet dhe potenciali redoks i ubiquinol zvogëlohet për shkak të rritjes së përqendrimit të tij, gjë që bën të mundur transportin e kundërt të elektroneve përgjatë potencialit elektrik të membranës së brendshme mitokondriale në NAD. Ky fenomen është vërejtur në kushte laboratorike, por nuk dihet nëse ndodh në një qelizë të gjallë.

Gjatë fazave fillestare të kërkimit në kompleksin I, një model i diskutuar gjerësisht u bazua në supozimin se një sistem i ngjashëm me atë që funksionon në kompleks. Megjithatë, studimet e mëvonshme nuk gjetën asnjë kinone të lidhur në thelb në kompleksin I dhe e hodhën poshtë plotësisht këtë hipotezë.

Kompleksi i dehidrogjenazës NADH duket se ka një mekanizëm unik të transportit të protonit përmes ndryshimeve konformacionale në vetë enzimën. Nënnjësitë ND2, ND4 dhe ND5 quhen antiport-like sepse janë homologe me njëra-tjetrën dhe me antiportet bakteriale Mrp Na + /H +. Këto tre nënnjësi formojnë tre kanale kryesore protonike, të cilat përbëhen nga mbetje të aminoacideve të ngarkuara të ruajtura (kryesisht lizina dhe glutamat). Kanali i katërt i protonit formohet nga një pjesë e nën-njësisë Nqo8 dhe nën-njësive të vogla ND6, ND4L dhe ND3. Kanali është i ngjashëm në strukturë me kanale të ngjashme të nën-njësive të ngjashme me portin, por përmban një numër jashtëzakonisht të madh të mbetjeve të glutamatit të mbushura dendur në anën e matricës, kjo është arsyeja pse quhet kanali E (E-ja latine përdoret si standard emërtimi për glutamat). Nga fundi C i nën-njësisë ND5 shtrihet një shtrirje e përbërë nga dy spirale transmembranore të lidhura nga një α-spiral jashtëzakonisht i gjatë (110 Å) (HL), i cili, duke kaluar përgjatë anës së kompleksit përballë matricës, lidh fizikisht të tre. nën-njësi të ngjashme me portin, dhe ndoshta të përfshira në bashkimin e transportit të elektroneve me rirregullimin konformues. Një tjetër element bashkues, βH, formohet nga një sërë mbivendosjesh dhe α-spirash dhe ndodhet në anën e kundërt, periplazmike të kompleksit. Ende nuk dihet plotësisht se si shoqërohet saktësisht transporti i elektroneve me transferimin e protoneve. Besohet se ngarkesa e fuqishme negative e grupit N2 mund të largojë polipeptidet përreth, duke shkaktuar ndryshime konformacionale që disi përhapen në të gjitha nën-njësitë e ngjashme me portin, të vendosura mjaft larg nga njëra-tjetra. Një hipotezë tjetër sugjeron se ndryshimi konformues bën që vendi i lidhjes jashtëzakonisht të gjatë të ubiquinone të stabilizojë ubiquinol Q-2 me një potencial jashtëzakonisht të ulët redoks dhe një ngarkesë negative. Shumë detaje të kinetikës së ndryshimeve konformacionale dhe transportit të protonit shoqërues mbeten të panjohura.

Frenuesi kompleks I më i studiuar është rotenoni (i përdorur gjerësisht si pesticid organik). Rotenoni dhe rotenoidet janë izoflavonoidë që janë të pranishëm në rrënjët e disa gjinive të bimëve tropikale si p.sh. Antonia (Loganiaceae), Derris Dhe Lonchocarpus (Fabaceae). Rotenoni është përdorur prej kohësh si një insekticid dhe helm peshku, pasi mitokondria e insekteve dhe peshqve janë veçanërisht të ndjeshme ndaj tij. Dihet se njerëzit indigjenë të Guianës Franceze dhe indianëve të tjerë të Amerikës së Jugut përdorën bimë që përmbajnë rotenone për peshkim që në shekullin e 17-të. Rotenoni ndërvepron me zonën lidhëse të ubiquinone dhe konkurron me substratin kryesor. Është treguar se frenimi sistematik afatgjatë i kompleksit I nga rotenoni mund të shkaktojë vdekjen selektive të neuroneve dopaminergjike (sekretimi i neurotransmetuesit dopamine). Piericidin A, një tjetër frenues i fuqishëm i kompleksit I strukturor i ngjashëm me ubiquinone, vepron në mënyrë të ngjashme. Në këtë grup bën pjesë edhe amitali i natriumit, një derivat i acidit barbiturik.

Megjithë më shumë se 50 vjet studim të kompleksit I, nuk ka qenë e mundur të zbulohen frenuesit që bllokojnë transferimin e elektroneve brenda kompleksit. Frenuesit hidrofobikë të tillë si rotenoni ose piericidin thjesht ndërpresin transferimin e elektroneve nga grupi terminal N2 në ubiquinone.

Një substancë tjetër që bllokon kompleksin I është riboza e adenozinës difosfat, në reaksionin e oksidimit të NADH. Ai lidhet me enzimën në vendin e lidhjes së nukleotideve (FAD).

Disa nga frenuesit më të fuqishëm të kompleksit I përfshijnë familjen e acetogjeninës. Këto substanca janë treguar se formojnë lidhje të kryqëzuara kimike me nën-njësinë ND2, gjë që indirekt tregon rolin e ND2 në lidhjen e ubiquinone. Është interesante të theksohet se acetogjenina rolliniastatin-2 ishte frenuesi i parë kompleks I i zbuluar për t'u lidhur në një vend tjetër përveç rotenonit.

Ilaçi antidiabetik metformina ka një efekt të moderuar frenues; Me sa duket, kjo veti e ilaçit qëndron në themel të mekanizmit të veprimit të tij.

Elektronet nga suksinati fillimisht transferohen në FAD dhe më pas përmes grupeve Fe-S në Q. Transporti i elektroneve në kompleks nuk shoqërohet me gjenerimin e një gradienti protoni. 2H+ i formuar gjatë oksidimit të suksinatit mbetet në të njëjtën anë të membranës, pra në matricë dhe më pas riabsorbohet gjatë reduktimit të kinonit. Kështu, kompleksi II nuk kontribuon në krijimin e gradientit të protonit nëpër membranë dhe funksionon vetëm si një transportues elektroni nga suksinati në ubikinon.

Si rezultat i oksidimit të suksinatit, elektronet e tij transferohen në FAD dhe më pas transferohen përgjatë një zinxhiri grupesh hekur-squfuri nga grupi në grup. Atje, këto elektrone transferohen në një molekulë ubiquinone që pret në vendin e lidhjes.

Ekziston gjithashtu një supozim se për të parandaluar që një elektron të shkojë drejtpërdrejt nga grupi në hem, funksionon një mekanizëm i posaçëm i portës. Një kandidat i mundshëm për portën është histidina -207 e nën-njësisë B, e cila ndodhet drejtpërdrejt midis grupit të squfurit hekur dhe hemit, afër ubikinonit të lidhur dhe mund të kontrollojë rrjedhën e elektroneve midis këtyre qendrave redoks.

Ekzistojnë dy klasa të frenuesve kompleks II: disa bllokojnë xhepin e lidhjes succinate dhe të tjerët bllokojnë xhepin lidhës të ubiquinolit. Frenuesit që imitojnë ubiquinolin përfshijnë karboksinë dhe thenoyltrifluoroaceton. Frenuesit-analogët e sukcinatit përfshijnë përbërjen sintetike malonate, si dhe përbërës të ciklit të Krebs, malat dhe oksaloacetat. Është interesante se oksaloacetati është një nga frenuesit më të fuqishëm të kompleksit II. Pse një metabolit i zakonshëm i ciklit të acidit trikarboksilik frenon kompleksin II mbetet e paqartë, megjithëse është sugjeruar se mund të shërbejë kështu një rol mbrojtës duke minimizuar transportin e kundërt të elektroneve në kompleksin I, gjë që rezulton në formimin e superoksidit.

Frenuesit që imitojnë ubiquinol janë përdorur si fungicide në bujqësi që nga vitet 1960. Për shembull, karboksina është përdorur kryesisht për sëmundjet e shkaktuara nga bazidiomicetet, të tilla si sëmundjet e ndryshkut dhe bazidiomiceteve. Rhizoktonia. Kohët e fundit, ato janë zëvendësuar nga komponime të tjera me një gamë më të gjerë të patogjenëve të shtypur. Komponime të tilla përfshijnë boscalid, penthiopyrad dhe fluopyram. Disa kërpudha të rëndësishme bujqësore nuk janë të ndjeshme ndaj veprimit të këtij brezi të ri frenuesish.

Kompleksi citokrom-bc1 (kompleksi citokrom para Krishtit 1) ose ubiquinol-citokrom c-oksidoreduktazë, ose kompleksi III - një kompleks multiproteinik i zinxhirit të frymëmarrjes të transportit të elektroneve dhe gjeneratori më i rëndësishëm biokimik i gradientit të protonit në membranën mitokondriale. Ky kompleks transmembranor multiproteinik është i koduar nga mitokondrial (citokrom b) dhe gjenomet bërthamore.

citokrom- bs Kompleksi 1 oksidon ubiquinonin e reduktuar dhe redukton citokromin c (E°"=+0.25 V) sipas ekuacionit:

Transporti i elektroneve në kompleks shoqërohet me transferimin e protoneve nga matrica (në) në hapësirën ndërmembranore (jashtë) dhe gjenerimin e një gradienti protoni në membranën mitokondriale. Për çdo dy elektrone që kalojnë përgjatë zinxhirit të transportit nga ubikinoni në citokrom c, dy protone thithen nga matrica dhe katër të tjerë lëshohen në hapësirën ndërmembranore. Citokromi c i reduktuar lëviz përgjatë membranës në fraksionin ujor dhe transferon një elektron në kompleksin tjetër të frymëmarrjes, oksidazën e citokromit.

Ngjarjet që ndodhin njihen si cikli Q, i cili u postulua nga Peter Mitchell në 1976. Parimi i ciklit Q është se transferimi i H+ nëpër membranë ndodh si rezultat i oksidimit dhe reduktimit të kinoneve në vetë kompleksin. Në këtë rast, kinonet japin dhe marrin përkatësisht 2H + nga faza ujore në mënyrë selektive nga anët e ndryshme të membranës.

Struktura e kompleksit III ka dy qendra, ose dy "xhepa", në të cilët kinonet mund të lidhen. Njëri prej tyre, qendra Q out, ndodhet midis grupit hekur-squfur 2Fe-2S dhe hemit. b L pranë anës së jashtme të membranës, përballë hapësirës ndërmembranore. Ubiquinone i reduktuar (QH 2) lidhet në këtë xhep. Tjetri, Q në xhep, është projektuar për të lidhur ubiquinone të oksiduar (Q) dhe ndodhet pranë anës së brendshme (në) të membranës në kontakt me matricën.

Një kusht i domosdoshëm dhe paradoksal për funksionimin e ciklit Q është fakti që jetëgjatësia dhe gjendja e semikuinoneve në dy qendrat lidhëse janë të ndryshme. Në qendrën Q out, Q është e paqëndrueshme dhe vepron si një agjent i fortë reduktues i aftë për të dhuruar e - në hemin me potencial të ulët nga. Një Q − relativisht jetëgjatë formohet në Q në qendër, potenciali i të cilit e lejon atë të veprojë si një agjent oksidues, duke pranuar elektrone nga hemi. b H. Një tjetër pikë kyçe e ciklit Q lidhet me divergjencën e dy elektroneve të përfshira në kompleks përgjatë dy shtigjeve të ndryshme. Një studim i strukturës kristalore të kompleksit tregoi se pozicioni i qendrës 2Fe-2S në lidhje me qendrat e tjera redoks mund të zhvendoset. Doli se proteina Rieske ka një domen të lëvizshëm, në të cilin ndodhet në të vërtetë grupi 2Fe-2S. Duke pranuar një elektron dhe duke u reduktuar, qendra 2Fe-2S ndryshon pozicionin e saj, duke u larguar nga qendra Q jashtë dhe hema b L me 17 me një rrotullim 60° dhe në këtë mënyrë i afrohet citokromit c. Pasi i ka dhënë një elektron citokromit, qendra 2Fe-2S, përkundrazi, lëviz më afër qendrës Q out për të vendosur kontakt më të ngushtë. Kështu, funksionon një lloj shuttle, duke garantuar që elektroni i dytë të shkojë në heme b L dhe b H. Deri më tani, ky është shembulli i vetëm ku transporti i elektroneve në komplekse shoqërohet me një domen të lëvizshëm në strukturën e proteinave.

Një pjesë e vogël e elektroneve largohen nga zinxhiri i transportit përpara se të arrijnë Kompleksin IV. Rrjedhja e vazhdueshme e elektroneve në oksigjen rezulton në formimin e superoksidit. Ky reagim i vogël anësor çon në formimin e një spektri të tërë të llojeve reaktive të oksigjenit, të cilat janë shumë toksike dhe luajnë një rol të rëndësishëm në zhvillimin e patologjive dhe plakjes). Rrjedhjet elektronike ndodhin kryesisht në Q-në vend. Ky proces nxitet nga antimicina A. Bllokon hemet b në gjendjen e tyre të reduktuar, duke i penguar ata të derdhin elektrone në semiquinone Q, gjë që nga ana tjetër çon në një rritje të përqendrimit të tij. Semiquinone reagon me oksigjenin, i cili çon në formimin e superoksidit. Superoksidi që rezulton hyn në matricën mitokondriale dhe në hapësirën ndërmembranore, nga ku mund të hyjë në citosol. Ky fakt mund të shpjegohet me faktin se Kompleksi III ndoshta prodhon superoksid në formën e HOO të pa ngarkuar, i cili mund të depërtojë më lehtë në membranën e jashtme në krahasim me Superoksidin e ngarkuar (O 2 -).

Disa nga këto substanca përdoren si fungicide (të tilla si derivatet e strobilurinës, më e njohura prej të cilave është azoksistrobina, një frenues Q ext) dhe antimalariale (atovaquone).

Citokrom oksidaza (citokrom oksidaza) ose citokromi c oksidoreduktaza e oksigjenit, e njohur gjithashtu si citokrom aa 3 dhe kompleksi IV, është një oksidazë terminale e zinxhirit të transportit të elektroneve në frymëmarrje aerobike që katalizon transferimin e elektroneve nga citokromi Me tek oksigjeni për të formuar ujë. Citokrom oksidaza është e pranishme në membranën e brendshme të mitokondrive të të gjithë eukarioteve, ku zakonisht quhet kompleks IV, si dhe në membranën qelizore të shumë baktereve aerobe.

Kompleksi IV oksidon në mënyrë sekuenciale katër molekula të citokromit c dhe, duke pranuar katër elektrone, redukton O 2 në H 2 O. Gjatë reduktimit të O 2, katër H + kapen nga

Enzimat e zinxhirit të transportit të elektroneve janë të fiksuara në membranën mitokondriale në atë mënyrë që veprimi i tyre të jetë vektorial, d.m.th., të karakterizuar jo vetëm nga madhësia e shpejtësisë së reaksionit, por edhe nga një drejtim hapësinor, i ngjashëm me veprimin e ATP-azave transportuese. . Manifestimi kryesor i vektorizimit në zinxhirin respirator është transferimi i joneve të hidrogjenit nga ana e brendshme e membranës (nga ana e matricës) në anën e jashtme (në hapësirën ndërmembranore).

Ekzistojnë tre pika në zinxhirin e frymëmarrjes që lidhen me pompimin e protoneve: komplekset I, III dhe IV.
Koenzima Q, me pjesëmarrjen e NADH dehidrogjenazës (kompleksi I), bashkon elektronet (si dhe protonet) nga përbërësit e zinxhirit të frymëmarrjes në anën matricë të membranës, dhe elektronet dhe protonet lëshohen në anën e kundërt të membranës. , dhe elektronet pranohen nga komponenti tjetër i zinxhirit të frymëmarrjes, dhe protonet shkojnë në hapësirën e hapësirës ndërmembranore. Ky mekanizëm quhet cikël Q. Citokrom c reduktaza (kompleksi III) vepron në mënyrë të ngjashme. Në rajonin e citokrom oksidazës (kompleksi IV), jonet Cu2+ mund të përfshihen në pompimin e protonit.
Transferimi i dy elektroneve përmes secilit kompleks lejon pompimin e katër protoneve. Kështu, zinxhiri i transportit të elektroneve vepron si një pompë protonike, duke pompuar jonet e hidrogjenit nga matrica në pjesën e jashtme të membranës.
Si rezultat, një ndryshim në përqendrimet e protonit shfaqet në anët e membranës dhe, në të njëjtën kohë, një ndryshim në potencialet elektrike me një shenjë plus në sipërfaqen e jashtme. Me fjalë të tjera, energjia e ndryshimit në potencialin redoks të substancave shndërrohet në energjinë e potencialit elektrokimik të protonit ArH+.
Potenciali elektrokimik i detyron protonet të lëvizin në drejtim të kundërt - nga sipërfaqja e jashtme në brendësi. ATP sintetaza është një proteinë oligomerike shumë e madhe, në të cilën dallohen tre pjesë: një pjesë e dalë në matricën mitokondriale (F1), e ndërtuar nga tre çifte dimerësh sf; një pjesë transmembranore (F0), duke formuar një kanal hidrofil, dhe një rajon të ndërmjetëm FA. Nën-njësia F1 përmban vende aktive që sintetizojnë ATP. Protonet lëvizin nëpër kanalin e sintazës ATP, dhe energjia nga kjo lëvizje përdoret për të formuar ATP. Mekanizmat specifikë të bashkimit, d.m.th., shndërrimi i potencialit elektrokimik në energjinë e lidhjes makroergjike të ATP, nuk janë ende plotësisht të qarta.
ATP që rezulton, me pjesëmarrjen e translokazës ADP-ATP, transportohet nga matrica në anën e jashtme të membranës dhe hyn në citosol. Në të njëjtën kohë, e njëjta translokazë transferon ADP në drejtim të kundërt, nga citozoli në matricën mitokondriale.
Në kushte artificiale, në eksperimente in vitro, është e mundur të krijohet një tepricë e ATP nga sipërfaqja e brendshme e membranës së brendshme. Në këtë rast, reaksioni vazhdon nga e djathta në të majtë, d.m.th. enzima punon si një ATPazë transportuese që transferon protonet (H+-ATPase). Në këtë rast, membrana merr energji: ArH+ lind për shkak të energjisë së hidrolizës së ATP.

11.3.3.1. Bartës të elektroneve

Bartësit e elektroneve janë të vendosura në sipërfaqe ose thellë në membranën e brendshme mitokondriale, e cila është e vendosur në kryqe, numri dhe dendësia e paketimit të të cilave lidhet me nevojat energjetike të qelizës.

Shumë bartës të elektroneve janë proteina që përmbajnë hemin si një grup protetik.

Vetitë e një molekule heme varen nga proteina me të cilën është ngjitur. Për më tepër, hemet në citokrome të ndryshme mund të ndryshojnë në strukturën e grupeve anësore dhe metodën e lidhjes me apoproteinën. Prandaj, citokromet mund të ndryshojnë në potencialet redoks, megjithëse të gjithë kanë pothuajse të njëjtat grupe protetike.

Bartësit e elektroneve quhen citokrome sepse kanë ngjyrë të kuqe. Citokrome të ndryshme përcaktohen me indekse shkronjash: s 1, s, a, a 3 - sipas renditjes së vendndodhjes së tyre në qark.

Një lloj tjetër i bartësve elektrone që përmbajnë hekur jo-hem përfshin proteinat në të cilat atomet e hekurit janë të lidhur me grupet sulfhidrile të mbetjeve të proteinave të cisteinës, si dhe me anionet sulfhidrile të mbetjeve, duke formuar komplekse ose qendra hekur-squfur ( Fig. 29).

Oriz. 29. Struktura e qendrës hekur-squfur

Ashtu si në citokromet, atomet e hekurit në qendra të tilla mund të pranojnë dhe dhurojnë elektrone, duke kaluar në mënyrë alternative në gjendjet ferro(Fe 2+) dhe ferri (Fe 3+). Qendrat e hekurit-squfurit funksionojnë së bashku me enzimat që përmbajnë flavin, duke pranuar elektrone nga dehidrogjenaza suksinate dhe dehidrogjenazat e përfshira në oksidimin e yndyrës.

Një lloj tjetër transportuesi është proteina që përmban FMN. FMN (mononukleotidi i adeninës së flavinës) është një përbërës që është gjysma e flavinës së molekulës FAD. FMN transferon elektronet nga FADN në qendrat e hekur-squfurit.

Të gjithë bartësit e proteinave janë proteina integrale që zënë një pozicion rreptësisht të fiksuar në membranë dhe janë të orientuar në një mënyrë të caktuar. Përjashtim bën citokromi c, i cili lidhet lirshëm me membranën e jashtme dhe e lë lehtësisht atë.

I vetmi bartës i elektroneve joproteinike është ubiquinone, i quajtur kështu sepse, nga njëra anë, është një kinon, dhe nga ana tjetër, gjendet kudo (nga anglishtja. i kudondodhur– i gjithëpranishëm). Emri i tij i shkurtuar është CoQ, UQ ose thjesht Q. Të gjitha qendrat e hekur-squfurit i dhurojnë elektrone ubikinonit.

Gjatë reduktimit, ubikinoni fiton jo vetëm elektrone, por edhe protone (Fig. 30).

Fig.30. Ubiquinone – koenzima Q (a)
dhe transformimet e tij redoks (b)

Me reduktimin me një elektron ai shndërrohet në semiquinone (një radikal i lirë organik), dhe me reduktimin me dy elektron shndërrohet në hidrokinon. Është formimi i ndërmjetëm i një radikali të lirë që lejon ubiquinone të shërbejë si bartës jo i dy, por i një elektroni. Bishti shumë i gjatë hidrofobik (40 atome karboni në dhjetë mbetje izoprenoide të njëpasnjëshme) i jep ubiquinon-it aftësinë për të futur lehtësisht dhe lëvizur lirshëm në shtresën jopolare të membranës së brendshme mitokondriale.

11.3.3.2. Vendndodhja e vektorëve

Rrjedha e elektroneve ndërmjet bartësve drejtohet nga bartësi me një potencial reduktimi më të lartë (d.m.th., potencial më i ulët redoks) në bartësin me një potencial reduktimi më të ulët (d.m.th., më i oksiduar, me një potencial redoks më të lartë) (Fig. 31).

Fig.31. Potencialet redoks të përbërësve të zinxhirit të frymëmarrjes në mitokondri

Në zinxhirin mitokondrial, transportuesit kanë potenciale të ndryshme redoks.

Bartësit e elektroneve në zinxhir janë të vendosur në qark në mënyrë që DG 0 (energjia e lirë) gradualisht zvogëlohet dhe potenciali redoks korrespondues rritet. Në çdo fazë të transferimit të elektroneve në një bartës ngjitur me zinxhirin, lirohet energji e lirë.

Gjatë oksidimit të glukozës, elektronet transferohen nga NADH dhe FADH 2 në oksigjen. Shumë transportues janë të përfshirë në këtë proces, por ato mund të grupohen në katër komplekse që janë të ngulitura në membranën mitokondriale.
(Fig. 32).

Oriz. 32. Katër komplekse të transportit të elektroneve
në membranën mitokondriale

Midis komplekseve, elektronet lëvizin së bashku me bartës të lëvizshëm: ubiquinone dhe citokrom c. Ubiquinone merr elektrone nga komplekset I dhe II dhe i transferon ato në kompleksin III. Citokromi c shërben si ndërmjetës midis komplekseve III dhe IV. Kompleksi I transferon elektronet nga NADH në Q; kompleksi II - nga suksinati përmes FADN 2 në Q; kompleksi III përdor QH 2 për të reduktuar citokromin c, dhe kompleksi IV transferon elektronet nga citokromi Me për oksigjen. Komplekset I, III dhe IV quhen, përkatësisht, NADH-CoQ reduktazë, CoQH2-citokrom Me-reduktaza dhe citokrom oksidaza. Kompleksi IV - citokrom oksidaza - përbëhet nga disa proteina. Ai merr elektrone nga citokromi Me në pjesën e jashtme të membranës së brendshme mitokondriale. Në rrugën e tyre drejt oksigjenit, këto elektrone kalojnë nëpër citokrome A Dhe a 3, që përmban atome bakri, të cilët në mënyrë alternative shndërrohen në gjendjet Cu + dhe Cu 2+. Citokrom oksidaza redukton oksigjenin e lirë:

O 2 + 4 e - + 4H + ® 2H 2 O

11.3.3.3. Teoria kimiosmotike e Mitchell

Transporti i elektroneve përgjatë zinxhirit të frymëmarrjes çon në gjenerimin e ATP. Koncepti i mekanizmit të bashkimit të transportit të elektroneve me sintezën ATP u zhvillua nga biokimisti anglez Peter Mitchell në 1961 (Mitchell u nderua me çmimin Nobel në 1978). Mitchell zbuloi se rrjedha e elektroneve bën që protonet të pompohen nga mitokondria në mjedisin përreth, duke krijuar një gradient protoni nëpër membranë (pH i tretësirës së jashtme zvogëlohet). Meqenëse protonet janë grimca të ngarkuara pozitivisht, për shkak të pompimit të tyre nga mitokondria, një ndryshim në potencialin elektrik (minus - brenda) dhe një ndryshim pH (më i lartë - brenda) lind në membranë. Së bashku, gradientët elektrikë dhe të përqendrimit përbëjnë (sipas Mitchell) forcën lëvizëse të protonit, e cila është burimi i energjisë për sintezën e ATP (Fig. 33).

Oriz. 33. Skema e sintezës së ATP në brendësi
membrana mitokondriale

Forca lëvizëse e protonit nxit komplekset e sintazës ATP, të cilat përdorin rrjedhën e elektroneve për të sintetizuar ATP nga ADP dhe fosfori. Komplekset janë kanale të specializuara protonike (projeksione në formë kërpudhash që mbulojnë sipërfaqen e brendshme të kristave). Kompleksi përfaqësohet nga dy përbërës të ndërlidhur F 0 F 1, secila prej të cilave përbëhet nga disa molekula proteinash. F 0 është zhytur në membranë, dhe F 1 ndodhet në sipërfaqen e saj. Pikërisht në F1 sintetizohet ATP, ndërsa F0 kryen vetë funksionin e kanalit të protonit (Fig. 34).

Figura 34. Paraqitja skematike e strukturës “kërpudha” të F 0 F 1 ATP sintetazës nga E. coli. Komponenti F 0 depërton në membranë, duke formuar një kanal për protonet. Supozohet se F 1 përbëhet nga tre nënnjësi a dhe tre b, të organizuara në mënyrë që ato të formojnë një strukturë heksamerike si një "kapak kërpudhash", dhe një nënnjësi g, një d dhe një e, të cilat formojnë një "shufër" që lidh F 0 në kanalin F 1

Nuk dihet saktësisht se si gjenerohet ATP përmes ATP sintetazës. Sipas një teorie, gjatë zhvendosjes së protoneve nëpërmjet faktorit F0, ndodhin ndryshime konformacionale në komponentin F1, i cili sintetizon ATP nga ADP dhe fosfori.

Për çdo palë elektrone të transferuara nga NADH në oksigjen, ka 10 protone të pompuara nga matrica mitokondriale. Kështu, oksidimi i 1 molekulës NADH çon në sintezën e 2.5 molekulave ATP dhe oksidimi i 1 molekulës FADH 2 çon në sintezën e 1.5 molekulave ATP. Më parë, besohej se ishin sintetizuar përkatësisht tre dhe dy molekula ATP. Këto sasi zakonisht quhen raporte P/O, pasi transferimi i 2 elektroneve është i barabartë me reduktimin e 1 atomit të oksigjenit.

Rendimenti i ATP gjatë oksidimit të një molekule glukoze në CO 2 dhe H 2 O.

Glikoliza prodhon 2 molekula ATP (4 prodhohen, por 2 konsumohen). Gjatë glikolizës, në citoplazmë formohen edhe 2 molekula NADH për 1 molekulë glukozë. 2 molekula ATP formohen në ciklin e acidit citrik (nga 1 molekulë glukoze formohen 2 molekula acetil-CoA, duke shkaktuar dy kthesa të ciklit).

Për çdo 1 molekulë glukoze, piruvat dehidrogjenaza prodhon 2 molekula NADH dhe cikli i acidit citrik prodhon 6 molekula NADH. Oksidimi i tyre çon në sintezën e 20 molekulave ATP. Tre molekula të tjera ATP formohen për shkak të oksidimit të FADH 2 gjatë shndërrimit të suksinatit në fumarat.

Prodhimi total i molekulave të ATP do të varet nga cili mekanizëm transferues (glicerofosfat dhe malat aspartat) përdoret nga qelizat për të shpërndarë NADH në zinxhirin e frymëmarrjes. Në mekanizmin e glicerolfosfatit, elektronet nga NADH transferohen në fosfat dihidroksiaceton për të formuar glicerol-3-fosfat, i cili transferon elektronet në zinxhirin e frymëmarrjes (Fig. 35). Kjo ndodh me pjesëmarrjen e enzimës glicerol-3-fosfat dehidrogjenazë. Me ndihmën e NADH citoplazmike, rikthehet FAD mitokondriale, e cila është një grup protetik i flavoproteinës - glicerol-3-fosfat dehidrogjenaza.

Oriz. 35. Mekanizmi i transferimit të glicerol fosfatit

Një sistem tjetër transportues, sistemi malate-aspartat, transferon elektrone nga NADH citoplazmatike në NAD + mitokondriale (Fig. 36). Kjo çon në formimin e NADH mitokondriale, e cila oksidohet më tej në zinxhirin e transportit të elektroneve. Në citoplazmë, NADH redukton oksaloacetatin në malat. Ky i fundit, me ndihmën e një transportuesi, hyn në mitokondri, ku rioksidohet në oksaloacetat me reduktimin e NAD +. Vetë oksaloacetati nuk mund të largohet nga mitokondria, kështu që fillimisht shndërrohet në aspartat, i cili transportohet nga transportuesi në citoplazmë. Në citoplazmë, aspartati deaminohet, duke u shndërruar në oksaloacetat dhe duke mbyllur kështu mekanizmin e anijes.

Fig.36. Sistem kalimi malate-aspartat për transferimin e elektroneve

Një sistem i proteinave transmembranore të lidhura në mënyrë strukturore dhe funksionale dhe bartësve elektronikë. Kjo ju lejon të ruani energjinë e lëshuar gjatë oksidimit të NAD * H dhe FADH2 nga oksigjeni molekular në formën e një potenciali protoni transmembranor për shkak të transferimit sekuencial të një elektroni përgjatë zinxhirit, i shoqëruar me pompimin e protoneve përmes membranës. Zinxhiri i transportit në eukariotët është i lokalizuar në membranën e brendshme mitokondriale. Ekzistojnë 4 komplekse multienzimatike në zinxhirin e frymëmarrjes. Ekziston edhe një kompleks tjetër që nuk është i përfshirë në transferimin e elektroneve, por sintetizon ATP.

1 - oksidoreduktaza CoA.

1.Pranon elektronet nga NADH dhe i transferon ato te koenzima Q (ubiquinone). 2.Transferon 4 jone H+ në sipërfaqen e jashtme të membranës së brendshme mitokondriale.

Dehidrogjenazat e varura nga FAD 2.

1. Reduktimi i FAD nga citokromi c oksidoreduktaza.

2. Merr elektrone nga koenzima Q dhe i transferon në citokromin c.

3.Transferon 2 jone H+ në sipërfaqen e jashtme të membranës së brendshme mitokondriale.

4-citokrom c-oksidoreduktaza e oksigjenit.

1.Pranon elektronet nga citokromi c dhe i transferon ato në oksigjen për të formuar ujë.

2.Transferon 4 jone H+ në sipërfaqen e jashtme të membranës së brendshme mitokondriale. Të gjithë atomet e hidrogjenit të shkëputur nga substratet nga dehidrogjenazat në kushte aerobike arrijnë në membranën e brendshme mitokondriale si pjesë e NADH ose FADH2.

Ndërsa elektronet lëvizin, ato humbasin energji -> energjia shpenzohet nga komplekset për pompimin e protoneve H. Transferimi i joneve H ndodh në zona të përcaktuara rreptësisht -> zona të konjugimit. Rezultati: Prodhohet ATP: Jonet H+ humbasin energjinë e tyre duke kaluar përmes ATP sintazës. Një pjesë e kësaj energjie shpenzohet në sintezën e ATP. Pjesa tjetër shpërndahet si nxehtësi.

Zinxhiri respirator mitokondrial përbëhet nga 5 komplekse multienzimatike, nën-njësitë e të cilave janë të koduara nga gjenet bërthamore dhe mitokondriale. Koenzima Q10 dhe citokromi c janë të përfshirë në transportin e elektroneve. Elektronet vijnë nga molekulat NAD*H dhe FAD"H dhe transportohen përgjatë zinxhirit të frymëmarrjes. Energjia e çliruar përdoret për transportimin e protoneve në membranën e jashtme të mitokondrive dhe gradienti elektrokimik që rezulton përdoret për të sintetizuar ATP duke përdorur kompleksin V të zinxhiri respirator mitokondrial

44. Sekuenca dhe struktura e bartësve të elektroneve në zinxhirin respirator

1 kompleks. NADH-CoQ oksidoreduktaza

Ky kompleks ka edhe emrin e punës NADH dehidrogjenazë, përmban FMN (flavin mononucleotide), 22 molekula proteinash, nga të cilat 5 janë proteina hekur-squfur me peshë totale molekulare deri në 900 kDa.

Pranon elektronet nga NADH dhe i transferon ato te koenzima Q (ubiquinone).

Transferon 4 jone H+ në sipërfaqen e jashtme të membranës së brendshme mitokondriale.

2 komplekse. Dehidrogjenazat e varura nga FAD

Ai përfshin enzimat e varura nga FAD të vendosura në membranën e brendshme - për shembull, acil-SCoA dehidrogjenaza (oksidimi i acideve yndyrore), dehidrogjenaza suksinate (cikli i acidit trikarboksilik), glicerol-3-fosfat dehidrogjenaza mitokondriale (NADH transferohet në mitokondri).

Reduktimi i FAD në reaksionet redoks.

Sigurimi i transferimit të elektroneve nga FADN2 në proteinat hekur-squfur të membranës së brendshme mitokondriale. Këto elektrone pastaj shkojnë te koenzima Q.

46. ​​Mekanizmat biokimikë të ndarjes së oksidimit dhe fosforilimit, faktorët që i shkaktojnë ato Shkëputja e frymëmarrjes dhe fosforilimi

Disa kimikate (protonofore) mund të transportojnë protone ose jone të tjerë (jonofore) nga hapësira ndërmembranore përmes membranës në matricë, duke anashkaluar kanalet protonike të sintazës ATP. Si rezultat, potenciali elektrokimik zhduket dhe sinteza e ATP ndalon. Ky fenomen quhet shkëputje e frymëmarrjes dhe fosforilimit. Si rezultat i shkëputjes, sasia e ATP zvogëlohet dhe ADP rritet. Në këtë rast, shkalla e oksidimit të NADH dhe FADH2 rritet, dhe sasia e oksigjenit të përthithur gjithashtu rritet, por energjia lëshohet në formën e nxehtësisë, dhe raporti P/O zvogëlohet ndjeshëm. Si rregull, unçiftuesit janë substanca lipofile që kalojnë lehtësisht përmes shtresës lipidike të membranës. Një nga këto substanca është 2,4-dinitrofenoli (Fig. 6-17), i cili kalon lehtësisht nga një formë jonizuese në një jojonizuese, duke bashkuar një proton në hapësirën ndërmembranore dhe duke e transferuar atë në matricë.

Shembuj të shkëputësve mund të jenë gjithashtu disa medikamente, për shembull, dikumaroli - një antikoagulant (shih seksionin 14) ose metabolitë që formohen në trup, bilirubina - një produkt i katabolizmit (shih seksionin 13), tiroksina - një hormon tiroide (shih seksionin 11). Të gjitha këto substanca shfaqin një efekt shkëputës vetëm në përqendrime të larta.

Fikja e fosforilimit pas zbrazjes së ADP ose fosfatit inorganik shoqërohet me frenim të frymëmarrjes (efekti i kontrollit të frymëmarrjes). Një numër i madh efektesh që dëmtojnë membranën mitokondriale prishin lidhjen midis oksidimit dhe fosforilimit, duke lejuar që transferimi i elektroneve të ndodhë edhe në mungesë të sintezës së ATP (efekti i shkyçjes)

1. Prodhimi total:

Për të sintetizuar 1 molekulë ATP, nevojiten 3 protone.

2. Frenuesit e fosforilimit oksidativ:

Frenuesit bllokojnë kompleksin V:

Oligomycin - bllokon kanalet protonike të ATP sintazës.

Atratilozid, ciklofilinë - bllokojnë translokazat.

3. Çbashkuesit e fosforilimit oksidativ:

Shkëputësit janë substanca lipofile që janë në gjendje të pranojnë protone dhe t'i transferojnë ato përmes membranës së brendshme të mitokondrive, duke anashkaluar kompleksin V (kanalin e tij proton). Shkëputësit:

Natyral - produkte të peroksidimit të lipideve, acide yndyrore me zinxhir të gjatë; doza të mëdha të hormoneve të tiroides.

Artificial - dinitrofenol, eter, derivate të vitaminës K, anestetikë.