Väte- och elektrontransportkedja (andningskedja). Elektronöverföringskomplex. Oxidativ fosforylering. Kemiosmotisk teori om oxidation och fosforylering. Mekanismer för att koppla processen för elektrontransport med bildandet av ATP. Andningsorgan

Oxidativ fosforylering

Mekanismen för oxidativ fosforylering föreslogs först av Peter Mitchell. Enligt denna hypotes orsakar elektronöverföring som sker vid det inre mitokondriella membranet pumpning av H+-joner från mitokondriella matrisen in i intermembranutrymmet. Detta skapar en gradient av H+-jonkoncentration mellan cytosolen och det slutna intramitokondriella utrymmet. Vätejoner kan normalt återvända till mitokondriematrisen på bara ett sätt - genom ett speciellt enzym som bildar ATP - ATP-syntas.

Enligt moderna koncept innehåller det inre mitokondriella membranet ett antal multienzymkomplex, inklusive många enzymer. Dessa enzymer kallas respiratoriska enzymer, och sekvensen av deras placering i membranet kallas andningskedjan (elektrontransportkedjan).

Allmän princip för oxidativ fosforylering

I allmänhet är andningskedjans arbete som följer:

1. NADH och FADH 2 som bildas i katabolismreaktioner överför väteatomer (det vill säga väteprotoner och elektroner) till enzymerna i andningskedjan.
2. Elektroner rör sig genom enzymerna i andningskedjan och förlorar energi.
3. Denna energi används för att pumpa H+-protoner från matrisen in i intermembranutrymmet.
4. I slutet av andningskedjan träffar elektroner syre och reducerar det till vatten.
5. H+-protoner rusar tillbaka in i matrisen och passerar genom ATP-syntas.
6. Samtidigt tappar de energi, som används för ATP-syntes.

Således oxideras de reducerade formerna av NAD och FAD av enzymer i andningskedjan, på grund av vilket fosfat tillsätts till ADP, det vill säga fosforylering. Därför kallas hela processen oxidativ fosforylering.

Var induceras protonpotentialen? Protonpotential omvandlas till energi av ATP-syntas kemiska bindningar ATP. Konjugatarbetet av ETC- och ATP-syntas kallas oxidativ fosforylering.

I eukaryota mitokondrier börjar elektrontransportkedjan med oxidation av NADH och reduktion av ubikinon Q med komplex I. Därefter oxiderar komplex II succinat till fumarat och reducerar ubikinon Q. Ubiquinon Q oxideras och reduceras av cytokrom c-komplex III. I slutet av kedjan katalyserar komplex IV överföringen av elektroner från cytokrom c till syre för att bilda vatten. Som ett resultat av reaktionen, för varje konventionellt frisatt 6 protoner och 6 elektroner, frigörs 2 molekyler vatten på grund av förbrukningen av 1 molekyl O2 och 10 molekyler NAD∙H.

Komplex I eller NADH-dehydrogenaskomplex oxiderar NAD-H. Detta komplex spelar en central roll i processerna för cellulär andning och. Nästan 40 % av protongradienten för ATP-syntes skapas av detta komplex. Komplex I oxiderar NADH och reducerar en molekyl av ubiquinon, som frigörs i membranet. För varje oxiderad NADH-molekyl överför komplexet fyra protoner över membranet. NADH-dehydrogenaskomplexet tar två elektroner från det och överför dem till ubikinon. Ubiquinon är lipidlösligt. Ubiquinon inuti membranet diffunderar till komplex III. Samtidigt pumpar komplex I 2 protoner och 2 elektroner från matrisen in i mitokondrierna.

Elektrontransportkedja av komplex I. Grå pilar - osannolik eller nu nedlagd transportväg

N5-klustret har en mycket låg potential och begränsar hastigheten för det totala flödet av elektroner genom hela kedjan. Istället för de vanliga liganderna för järn-svavelcentra (fyra cysteinrester) koordineras den av tre cysteinrester och en histidinrester, och omges också av laddade polära rester, även om den ligger djupt inne i enzymet.

Kluster N7 finns endast i komplex I av vissa bakterier. Den avlägsnas avsevärt från de andra klustren och kan inte byta elektroner med dem, så det är tydligen en relik. I vissa bakteriekomplex relaterade till komplex I hittades fyra konserverade cysteinrester mellan N7 och de andra klustren, och i bakteriekomplex I Aquifex aeolicus ett ytterligare Fe 4 S 4-kluster upptäcktes som förbinder N7 med de återstående klustren. Av detta följer att A. aeolicus komplex I, förutom NADH, kan använda en annan elektrondonator, som överför dem genom N7.

NADH-dehydrogenaskomplexet oxiderar NADH som bildas i matrisen under trikarboxylsyracykeln. Elektroner från NADH används för att återställa membrantransportören, ubiquinone Q, som överför dem till nästa komplex av mitokondriernas elektrontransportkedja, komplex III eller cytokrom före Kristus 1-komplex.

NADH-dehydrogenaskomplexet fungerar som en protonpump: för varje oxiderad NADH och reducerat Q pumpas fyra protoner genom membranet in i intermembranutrymmet:

Den elektrokemiska potential som genereras under reaktionen används för att syntetisera ATP. Reaktionen som katalyseras av komplex I är reversibel, en process som kallas aerob succinat-inducerad NAD+-reduktion. Under förhållanden med hög membranpotential och överskott av reducerade ubikinoler kan komplexet reducera NAD+ med hjälp av deras elektroner och föra protoner tillbaka in i matrisen. Detta fenomen uppstår vanligtvis när det finns mycket succinat men lite oxaloacetat eller malat. Reduktionen av ubikinon utförs av enzymerna succinatdehydrogenas, eller mitokondriella. Under höga förhållanden protongradient komplexets affinitet för ubiquinol ökar, och redoxpotentialen för ubiquinol minskar på grund av en ökning av dess koncentration, vilket möjliggör omvänd transport av elektroner längs den elektriska potentialen hos det inre mitokondriella membranet till NAD. Detta fenomen observerades i laboratorieförhållanden, men det är okänt om det förekommer i en levande cell.

Under de inledande stadierna av forskningen om komplex I baserades en brett diskuterad modell på antagandet att ett system liknande det fungerar i komplexet. Senare studier fann dock inga egenbundna kinoner i komplex I och förkastade helt denna hypotes.

NADH-dehydrogenaskomplexet verkar ha en unik protontransportmekanism genom konformationsförändringar i själva enzymet. ND2-, ND4- och ND5-subenheterna kallas antiportliknande eftersom de är homologa med varandra och med de bakteriella Mrp Na + /H + antiportarna. Dessa tre subenheter bildar tre huvudprotonkanaler, som är sammansatta av konserverade laddade aminosyrarester (främst lysin och glutamat). Den fjärde protonkanalen bildas av en del av Nqo8-subenheten och de små subenheterna ND6, ND4L och ND3. Kanalen liknar strukturen liknande kanaler av antiportliknande subenheter, men innehåller ett ovanligt stort antal tätt packade glutamatrester på matrissidan, varför den kallas E-kanalen (det latinska E används som standard beteckning för glutamat). Från C-terminalen av ND5-subenheten sträcker sig en förlängning bestående av två transmembranspiraler förbundna med en ovanligt lång (110 Å) α-helix (HL), som passerar längs den matrisvända sidan av komplexet, fysiskt förbinder alla tre antiportliknande subenheter, och möjligen involverade i koppling av elektrontransport med konformationell omarrangemang. Ett annat kopplingselement, βH, bildas av en serie av överlappande och α-helixar och är beläget på den motsatta, periplasmatiska sidan av komplexet. Det är fortfarande helt okänt hur exakt elektrontransport är kopplad till protonöverföring. Man tror att den kraftfulla negativa laddningen av N2-klustret kan trycka bort omgivande polypeptider, vilket orsakar konformationsförändringar som på något sätt sprids till alla antiportliknande subenheter som ligger ganska långt från varandra. En annan hypotes tyder på att konformationsförändringen gör att det ovanligt långa ubikinonbindningsstället stabiliserar ubikinol Q−2 med en extremt låg redoxpotential och en negativ laddning. Många detaljer om kinetiken för konformationsförändringar och tillhörande protontransport är fortfarande okända.

Den mest studerade komplexa I-hämmaren är rotenon (används i stor utsträckning som ett organiskt bekämpningsmedel). Rotenon och rotenoider är isoflavonoider som finns i rötterna hos flera tropiska växtsläkten som t.ex. Antonia (Loganiaceae), Derris Och Lonchocarpus (Fabaceae). Rotenon har länge använts som insekticid och fiskgift, eftersom mitokondrierna hos insekter och fiskar är särskilt känsliga för det. Det är känt att urbefolkningen i Franska Guyana och andra sydamerikanska indianer använde rotenonhaltiga växter för fiske redan på 1600-talet. Rotenon interagerar med ubikinonbindningsstället och konkurrerar med huvudsubstratet. Det har visats att långvarig systemisk hämning av komplex I av rotenon kan inducera selektiv död av dopaminerga neuroner (utsöndrar signalsubstansen dopamin). Piericidin A, en annan potent komplex I-hämmare som strukturellt liknar ubikinon, verkar på liknande sätt. Natriumamytal, ett derivat av barbitursyra, tillhör också denna grupp.

Trots mer än 50 års studier av komplex I har det inte varit möjligt att upptäcka inhibitorer som blockerar elektronöverföring inom komplexet. Hydrofoba inhibitorer som rotenon eller piericidin avbryter helt enkelt elektronöverföringen från det terminala N2-klustret till ubikinon.

Ett annat ämne som blockerar komplex I är adenosindifosfatribos, i oxidationsreaktionen av NADH. Det binder till enzymet vid nukleotidbindningsstället (FAD).

Några av de mest potenta hämmarna av komplex I inkluderar acetogeninfamiljen. Dessa ämnen har visat sig bilda kemiska tvärbindningar med ND2-subenheten, vilket indirekt indikerar ND2:s roll i ubikinonbindning. Det är intressant att notera att acetogenin rolliniastatin-2 var den första komplex I-hämmare som upptäcktes binda vid ett annat ställe än rotenon.

Det antidiabetiska läkemedlet metformin har en måttlig hämmande effekt; Tydligen ligger denna egenskap hos läkemedlet bakom mekanismen för dess verkan.

Elektroner från succinat överförs först till FAD och sedan genom Fe-S-kluster till Q. Elektrontransport i komplexet åtföljs inte av genereringen av en protongradient. 2H+ som bildas under oxidationen av succinat förblir på samma sida av membranet, det vill säga i matrisen, och återabsorberas sedan under reduktionen av kinon. Komplex II bidrar alltså inte till skapandet av protongradienten över membranet och fungerar endast som en elektrontransportör från succinat till ubikinon.

Som ett resultat av oxidationen av succinat överförs dess elektroner till FAD och överförs sedan längs en kedja av järn-svavelkluster från kluster till kluster. Där överförs dessa elektroner till en ubikinonmolekyl som väntar vid bindningsstället.

Det finns också ett antagande att för att förhindra att en elektron kommer direkt från klustret till hemet, fungerar en speciell grindmekanism. En trolig kandidat för grinden är histidin -207 av subenhet B, som är belägen direkt mellan järn-svavelklustret och hemen, nära den bundna ubikinonen, och kan möjligen styra flödet av elektroner mellan dessa redoxcentra.

Det finns två klasser av komplexa II-hämmare: vissa blockerar succinatbindningsfickan och andra blockerar ubiquinolbindningsfickan. Inhibitorer som efterliknar ubiquinol inkluderar karboxin och tenoyltrifluoraceton. Hämmare-analoger av succinat inkluderar den syntetiska föreningen malonat, såväl som komponenter i Krebs-cykeln, malat och oxaloacetat. Intressant nog är oxaloacetat en av de mest potenta komplex II-hämmarna. Varför en vanlig metabolit av trikarboxylsyracykeln hämmar komplex II är fortfarande oklart, även om det har föreslagits att det således kan tjäna en skyddande roll genom att minimera omvänd elektrontransport i komplex I, vilket resulterar i bildandet av superoxid.

Ubiquinol-härmande hämmare har använts som fungicider i lantbruk sedan 1960-talet. Till exempel har karboxin främst använts för sjukdomar orsakade av basidiomyceter, såsom stamrost och basidiomycetsjukdomar. Rhizoctonia. Nyligen har de ersatts av andra föreningar med ett bredare spektrum av undertryckta patogener. Sådana föreningar inkluderar boscalid, pentiopyrad och fluopyram. Vissa jordbruksmässigt viktiga svampar är inte mottagliga för verkan av denna nya generation av inhibitorer.

Cytokrom-bc1-komplex (cytokromkomplex före Kristus 1) antingen ubikinol-cytokrom c-oxidoreduktas eller komplex III - ett multiproteinkomplex av den respiratoriska kedjan av elektrontransport och den viktigaste biokemiska generatorn av protongradienten på mitokondriella membranet. Detta multiprotein transmembrankomplex kodas av mitokondrie (cytokrom b) och kärngenom.

Cytokrom- bс 1-komplex oxiderar reducerat ubikinon och reducerar cytokrom c (E°"=+0,25 V) enligt ekvationen:

Elektrontransport i komplexet är associerad med överföringen av protoner från matrisen (in) till intermembranutrymmet (ut) och genereringen av en protongradient på mitokondriella membranet. För varannan elektron som passerar längs transportkedjan från ubikinon till cytokrom c, absorberas två protoner från matrisen, och fyra till släpps ut i intermembranutrymmet. Reducerat cytokrom c rör sig längs membranet i den vattenhaltiga fraktionen och överför en elektron till nästa respiratoriska komplex, cytokromoxidas.

Händelserna som inträffar är kända som Q-cykeln, som postulerades av Peter Mitchell 1976. Principen för Q-cykeln är att överföringen av H+ över membranet sker som ett resultat av oxidation och reduktion av kinoner på själva komplexet. I detta fall ger respektive tar kinoner 2H+ från vattenfasen selektivt olika sidor membran.

Strukturen av komplex III har två centra, eller två "fickor", i vilka kinoner kan binda. En av dem, Q out center, ligger mellan järn-svavelklustret 2Fe-2S och heme b L nära membranets yttre sida, vänd mot intermembranutrymmet. Reducerat ubikinon (QH 2) binder i denna ficka. Den andra, Q i fickan, är utformad för att binda oxiderad ubikinon (Q) och är belägen nära den inre (in) sidan av membranet i kontakt med matrisen.

Ett nödvändigt och paradoxalt villkor för driften av Q-cykeln är det faktum att livslängden och tillståndet för semikinoner i de två bindningscentra är olika. I Q out-centret är Q instabil och fungerar som ett starkt reduktionsmedel som kan donera e - till lågpotentialen heme by. En relativt långlivad Q − bildas i Q i mitten, vars potential gör att den kan fungera som ett oxidationsmedel som tar emot elektroner från hemen b H. En annan nyckelpunkt i Q-cykeln är associerad med divergensen mellan de två elektronerna som ingår i komplexet längs två olika vägar. En studie av komplexets kristallstruktur visade att positionen för 2Fe-2S-centret i förhållande till andra redoxcentra kan skifta. Det visade sig att Rieske-proteinet har en mobil domän, på vilken 2Fe-2S-klustret faktiskt finns. Accepterar en elektron och reduceras, ändrar 2Fe-2S-centret sin position och flyttar sig bort från Q-utcentrumet och hemen b L med 17 med en rotation av 60° och därigenom närma sig cytokrom c. Efter att ha gett en elektron till cytokrom, flyttar 2Fe-2S-centret tvärtom närmare Q out-centrum för att etablera närmare kontakt. Således fungerar en slags skyttel som garanterar att den andra elektronen går till hemerna b L och b H. Hittills är detta det enda exemplet där elektrontransport i komplex är associerad med en mobil domän i proteinstrukturen.

En liten del av elektronerna lämnar transportkedjan innan de når komplex IV. Det konstanta läckaget av elektroner till syre resulterar i bildandet av superoxid. Denna lilla bireaktion leder till bildandet av ett helt spektrum av reaktiva syrearter, som är mycket giftiga och spelar en betydande roll i utvecklingen av patologier och åldrande). Elektroniska läckor förekommer främst vid Q in-platsen. Denna process främjas av antimycin A. Det blockerar hemes b i reducerat tillstånd, vilket hindrar dem från att sprida elektroner på semikinon Q, vilket i sin tur leder till en ökning av dess koncentration. Semikinon reagerar med syre, vilket leder till bildandet av superoxid. Den resulterande superoxiden kommer in i mitokondriella matrisen och intermembranutrymmet, varifrån den kan komma in i cytosolen. Detta faktum kan förklaras av att Complex III troligen producerar superoxid i form av oladdad HOO, som lättare kan penetrera det yttre membranet jämfört med laddad Superoxid (O 2 -).

Vissa av dessa ämnen används som fungicider (som strobilurinderivat, varav den mest kända är azoxystrobin, en Q ext site-hämmare) och antimalariamedel (atovakvon).

Cytokrom c-oxidas (cytokromoxidas) eller cytokrom c-syreoxidoreduktas, även känd som cytokrom aa 3 och komplex IV, är ett terminalt oxidas i den aeroba respiratoriska elektrontransportkedjan som katalyserar överföringen av elektroner från cytokrom Med till syre för att bilda vatten. Cytokromoxidas finns i mitokondriernas inre membran hos alla eukaryoter, där det vanligtvis kallas komplex IV, såväl som i cellmembranet hos många aeroba bakterier.

Komplex IV oxiderar sekventiellt fyra molekyler av cytokrom c och, accepterar fyra elektroner, reducerar O 2 till H 2 O. Under reduktionen av O 2 fångas fyra H + från

Enzymerna i elektrontransportkedjan är fixerade i mitokondriella membranet på ett sådant sätt att deras verkan är vektoriell, d.v.s. kännetecknas inte bara av storleken på reaktionshastigheten utan också av en rumslig riktning, liknande verkan av transport-ATPaser . Den huvudsakliga manifestationen av vektorering i andningskedjan är överföringen av vätejoner från membranets insida (från matrissidan) till den yttre sidan (in i intermembranutrymmet).

Det finns tre punkter i andningskedjan associerade med protonpumpning: komplex I, III och IV.
Koenzym Q, med deltagande av NADH-dehydrogenas (komplex I), fäster elektroner (liksom protoner) från komponenterna i andningskedjan på matrissidan av membranet, och elektroner och protoner frigörs på motsatt sida av membranet , och elektronerna accepteras av nästa komponent i andningskedjan, och protonerna går in i utrymmet mellan membranet. Denna mekanism kallas en Q-cykel. Cytokrom c-reduktas (komplex III) verkar på liknande sätt. I området för cytokromoxidas (komplex IV) kan Cu2+-joner vara involverade i protonpumpning.
Överföringen av två elektroner genom varje komplex möjliggör pumpning av fyra protoner. Således fungerar elektrontransportkedjan som en protonpump, som pumpar vätejoner från matrisen till utsidan av membranet.
Som ett resultat uppstår en skillnad i protonkoncentrationer på membranets sidor och samtidigt en skillnad i elektriska potentialer med ett plustecken på den yttre ytan. Med andra ord omvandlas energin för skillnaden i ämnens redoxpotential till energin för protonens elektrokemiska potential ArH+.
Den elektrokemiska potentialen tvingar protoner att röra sig i motsatt riktning - från den yttre ytan till insidan. ATP-syntetas är ett mycket stort oligomert protein, i vilket tre delar urskiljs: en del som sticker ut i mitokondriematrisen (F1), byggd av tre par sf-dimerer; en transmembrandel (FO), som bildar en hydrofil kanal, och en mellanliggande region FA. F1-underenheten innehåller aktiva ställen som syntetiserar ATP. Protoner rör sig genom ATP-syntaskanalen, och energin från denna rörelse används för att bilda ATP. De specifika mekanismerna för koppling, d.v.s. omvandlingen av den elektrokemiska potentialen till energin hos den makroergiska bindningen av ATP, är fortfarande inte helt klara.
Den resulterande ATP, med deltagande av ADP-ATP-translokas, transporteras från matrisen till utsidan av membranet och går in i cytosolen. Samtidigt överför samma translokas ADP i motsatt riktning, från cytosolen till mitokondriella matrisen.
Under artificiella förhållanden, i in vitro-experiment, är det möjligt att skapa ett överskott av ATP från den inre ytan av det inre membranet. I detta fall fortskrider reaktionen från höger till vänster, dvs enzymet fungerar som ett transport-ATPas som överför protoner (H+-ATPas). I detta fall är membranet strömsatt: ArH+ uppstår på grund av energin från ATP-hydrolys.

11.3.3.1. Elektronbärare

Elektronbärare är placerade på ytan eller djupt i det inre mitokondriella membranet, som är arrangerat i kors, vars antal och packningstäthet korrelerar med cellens energibehov.

Många elektronbärare är proteiner som innehåller hem som en protesgrupp.

Egenskaperna hos en hemmolekyl beror på vilket protein den är fäst vid. Dessutom kan hemer i olika cytokromer skilja sig åt i strukturen av sidogrupper och metoden för bindning till apoproteinet. Därför kan cytokromer skilja sig i redoxpotentialer, även om de alla har nästan samma protesgrupper.

Elektronbärare kallas cytokromer eftersom de är röda. Olika cytokromer betecknas med bokstavsindex: s 1, s, a, a 3 – i den ordning de är placerade i kretsen.

En annan typ av icke-hemjärninnehållande elektronbärare inkluderar proteiner i vilka järnatomer är bundna till sulfhydrylgrupperna i proteincysteinrester, såväl som till resternas sulfhydrylanjoner, vilket bildar järn-svavelkomplex eller centra ( Fig. 29).

Ris. 29. Struktur av järn-svavelcentrum

Liksom i cytokromer kan järnatomer i sådana centra acceptera och donera elektroner, växelvis passera in i ferro(Fe 2+) och ferri(Fe 3+) tillstånden. Järn-svavelcentra fungerar tillsammans med flavininnehållande enzymer och tar emot elektroner från succinatdehydrogenas och dehydrogenaser som är involverade i fettoxidation.

En annan typ av transportör är det FMN-innehållande proteinet. FMN (flavinadeninmononukleotid) är en förening som är flavinhalvan av FAD-molekylen. FMN överför elektroner från FADN till järn-svavelcentra.

Alla proteinbärare är integrerade proteiner som intar en strikt fixerad position i membranet och är orienterade på ett visst sätt. Undantaget är cytokrom c, som är löst bundet till det yttre membranet och lätt lämnar det.

Den enda icke-protein-elektronbäraren är ubikinon, så kallad eftersom det å ena sidan är en kinon, och å andra sidan finns det överallt (från engelskan. allestädes närvarande– allestädes närvarande). Dess förkortade namn är CoQ, UQ eller helt enkelt Q. Alla järn-svavelcentra donerar elektroner till ubiquinon.

Under reduktion förvärvar ubikinon inte bara elektroner utan även protoner (fig. 30).

Fig.30. Ubiquinon – koenzym Q (a)
och dess redoxtransformationer (b)

Med en-elektron-reduktion förvandlas den till semikinon (en organisk fri radikal), och med två-elektron-reduktion förvandlas den till hydrokinon. Det är den mellanliggande bildningen av en fri radikal som gör att ubikinon fungerar som en bärare av inte två, utan en elektron. Den mycket långa hydrofoba svansen (40 kolatomer i tio på varandra följande isoprenoidrester) ger ubiquinon förmågan att enkelt sätta in och röra sig fritt i det opolära lagret av det inre mitokondriella membranet.

11.3.3.2. Placering av vektorer

Flödet av elektroner mellan bärare riktas från bäraren med högre reduktionspotential (dvs lägre redoxpotential) till bäraren med lägre reduktionspotential (dvs mer oxiderad, med högre redoxpotential) (fig. 31).

Fig. 31. Redoxpotentialer för komponenter i andningskedjan i mitokondrier

I den mitokondriella kedjan har transportörer olika redoxpotentialer.

Elektronbärarna i kedjan är placerade i kretsen så att DG 0 (fri energi) gradvis minskar och redoxpotentialen ökar i motsvarande grad. Vid varje steg av elektronöverföring till en bärare intill kedjan frigörs fri energi.

Under oxidationen av glukos överförs elektroner från NADH och FADH 2 till syre. Många transportörer är involverade i denna process, men de kan grupperas i fyra komplex som är inbäddade i mitokondriella membranet
(Fig. 32).

Ris. 32. Fyra elektrontransportkomplex
i mitokondriella membranet

Mellan komplex rör sig elektroner tillsammans med mobila bärare: ubikinon och cytokrom c. Ubiquinon tar emot elektroner från komplex I och II och överför dem till komplex III. Cytokrom c fungerar som en mellanhand mellan komplex III och IV. Komplex I överför elektroner från NADH till Q; komplex II - från succinat genom FADN 2 till Q; komplex III använder QH 2 för att reducera cytokrom c, och komplex IV överför elektroner från cytokrom Med för syre. Komplex I, III och IV kallas respektive NADH-CoQ-reduktas, CoQH 2 -cytokrom Med-reduktas och cytokromoxidas. Komplex IV - cytokromoxidas - består av flera proteiner. Den tar emot elektroner från cytokrom Med på utsidan av det inre mitokondriella membranet. På väg till syre passerar dessa elektroner genom cytokromer A Och en 3, innehållande kopparatomer, som växelvis omvandlas till Cu+ och Cu 2+ tillstånden. Cytokromoxidas reducerar fritt syre:

O 2 + 4 e - + 4H+® 2H2O

11.3.3.3. Mitchells kemiosmotiska teori

Transporten av elektroner längs andningskedjan leder till generering av ATP. Konceptet med mekanismen för koppling av elektrontransport med ATP-syntes utvecklades av den engelske biokemisten Peter Mitchell 1961 (Mitchell tilldelades Nobelpriset 1978). Mitchell upptäckte att flödet av elektroner gör att protoner pumpas ut ur mitokondrierna in i miljö, skapar en protongradient över membranet (pH i den externa lösningen minskar). Eftersom protoner är positivt laddade partiklar, på grund av att de pumpar ut ur mitokondrierna, uppstår en skillnad i elektrisk potential (minus - inuti) och en pH-skillnad (högre - inuti) på membranet. Tillsammans, elektriska och koncentrationsgradienter utgöra (enligt Mitchell) protonens drivkraft, som är energikällan för syntesen av ATP (Fig. 33).

Ris. 33. Schema för ATP-syntes i det inre
mitokondriella membran

Protonens drivkraft driver ATP-syntaskomplex, som använder flödet av elektroner för att syntetisera ATP från ADP och fosfor. Komplexet representeras av två sammankopplade komponenter FoF1, som var och en består av flera proteinmolekyler. Fo är försänkt i membranet och F1 är placerad på dess yta. Det är i F1 som ATP syntetiseras, medan F0 utför själva protonkanalens funktion (fig. 34).

Bild 34. Schematisk representation av "svamp"-strukturen av F 0 F 1 ATP-syntetas från E. coli. F 0-komponenten penetrerar membranet och bildar en kanal för protoner. Det antas att F 1 består av tre a- och tre b-underenheter, organiserade så att de bildar en hexamerisk struktur som en "svamplock", och en g, en d och en e-underenheter, som bildar en "stav" som förbinder F 0 till F 1 kanal

Det är inte känt exakt hur ATP genereras genom ATP-syntetas. Enligt en teori, under translokationen av protoner via F0-faktorn, sker konformationsförändringar i F1-komponenten, som syntetiserar ATP från ADP och fosfor.

För varje elektronpar som överförs från NADH till syre, finns det 10 protoner som pumpas ut ur mitokondriematrisen. Således leder oxidationen av 1 NADH-molekyl till syntesen av 2,5 ATP-molekyler, och oxidationen av 1 FADH 2-molekyl leder till syntesen av 1,5 ATP-molekyler. Tidigare trodde man att tre respektive två ATP-molekyler syntetiserades. Dessa kvantiteter kallas vanligtvis P/O-förhållanden, eftersom överföringen av 2 elektroner motsvarar reduktionen av 1 syreatom.

Utbytet av ATP under oxidation av en glukosmolekyl till CO 2 och H 2 O.

Glykolys producerar 2 ATP-molekyler (4 produceras, men 2 konsumeras). Under glykolysen bildas också 2 molekyler NADH per 1 molekyl glukos i cytoplasman. 2 ATP-molekyler bildas i citronsyracykeln (från 1 glukosmolekyl bildas 2 acetyl-CoA-molekyler, vilket utlöser två varv av cykeln).

För varje molekyl glukos producerar pyruvatdehydrogenas 2 molekyler NADH, och citronsyracykeln producerar 6 molekyler NADH. Deras oxidation leder till syntesen av 20 ATP-molekyler. Ytterligare tre ATP-molekyler bildas på grund av oxidationen av FADH 2 under omvandlingen av succinat till fumarat.

Den totala produktionen av ATP-molekyler kommer att bero på vilken skyttelmekanism (glycerofosfat och malataspartat) som används av celler för att leverera NADH till andningskedjan. I glycerolfosfatmekanismen överförs elektroner från NADH till dihydroxiacetonfosfat för att bilda glycerol-3-fosfat, som överför elektroner till andningskedjan (fig. 35). Detta sker med deltagande av enzymet glycerol-3-fosfatdehydrogenas. Med hjälp av cytoplasmatisk NADH återställs mitokondriell FAD, som är en protesgrupp av flavoproteinet - glycerol-3-fosfatdehydrogenas.

Ris. 35. Glycerolfosfat-skyttelmekanism

Ett annat skyttelsystem, malat-aspartatsystemet, överför elektroner från cytoplasmatisk NADH till mitokondriell NAD+ (Fig. 36). Detta leder till bildandet av mitokondriell NADH, som oxideras ytterligare i elektrontransportkedjan. I cytoplasman reducerar NADH oxaloacetat till malat. Den senare, med hjälp av en bärare, går in i mitokondrierna, där den återoxideras till oxaloacetat med reduktion av NAD +. Oxaloacetat i sig kan inte lämna mitokondrierna, så det förvandlas först till aspartat, som transporteras av bäraren in i cytoplasman. I cytoplasman deamineras aspartat, förvandlas till oxaloacetat och stänger därigenom skyttelmekanismen.

Fig. 36. Malat-aspartat-skyttelsystem för elektronöverföring

Ett system av strukturellt och funktionellt relaterade transmembranproteiner och elektronbärare. Det låter dig lagra energin som frigörs under oxidationen av NAD*H och FADH2 av molekylärt syre i form av en transmembran protonpotential på grund av den sekventiella överföringen av en elektron längs kedjan, kopplat till pumpningen av protoner genom membranet. Transportkedjan i eukaryoter är lokaliserad på det inre mitokondriella membranet. Det finns 4 multienzymkomplex i andningskedjan. Det finns också ett annat komplex som inte är involverat i elektronöverföring, utan syntetiserar ATP.

1:a - CoA-oxidoreduktas.

1. Accepterar elektroner från NADH och överför dem till koenzym Q (ubiquinon). 2. Överför 4 H+ joner till den yttre ytan av det inre mitokondriella membranet.

2-FAD-beroende dehydrogenaser.

1. Återställande av FAD med 3-cytokrom c-oxidoreduktas.

2. Tar emot elektroner från koenzym Q och överför dem till cytokrom c.

3. Överför 2 H+-joner till den yttre ytan av det inre mitokondriella membranet.

4:e cytokrom c-syreoxidoreduktas.

1. Accepterar elektroner från cytokrom c och överför dem till syre för att bilda vatten.

2. Överför 4 H+ joner till den yttre ytan av det inre mitokondriella membranet. Alla väteatomer som klyvs från substrat av dehydrogenaser under aeroba förhållanden når det inre mitokondriella membranet som en del av NADH eller FADH2.

När elektroner rör sig förlorar de energi -> energi förbrukas av komplex på att pumpa H-joner. Överföringen av H-joner sker i strikt definierade områden. Resultat: ATP produceras: H+-joner förlorar sin energi genom ATP-syntas. En del av denna energi spenderas på ATP-syntes. Den andra delen avleds som värme.

Den mitokondriella andningskedjan består av 5 multienzymkomplex, vars underenheter kodas av både nukleära och mitokondriella gener. Koenzym Q10 och cytokrom c är involverade i elektrontransport. Elektroner kommer från NAD*H- och FAD"H-molekyler och transporteras längs andningskedjan. Den frigjorda energin används för att transportera protoner till mitokondriernas yttre membran, och den resulterande elektrokemiska gradienten används för att syntetisera ATP med hjälp av komplex V av mitokondriell andningskedja

44. Sekvens och struktur för elektronbärare i andningskedjan

1 komplex. NADH-CoQ oxidoreduktas

Detta komplex har även arbetsnamnet NADH-dehydrogenas, innehåller FMN (flavinmononukleotid), 22 proteinmolekyler, varav 5 är järn-svavelproteiner med en vanlig molekylvikt upp till 900 kDa.

Accepterar elektroner från NADH och överför dem till koenzym Q (ubiquinon).

Överför 4 H+-joner till den yttre ytan av det inre mitokondriella membranet.

2 komplex. FAD-beroende dehydrogenaser

Det inkluderar FAD-beroende enzymer belägna på det inre membranet - till exempel acyl-SCoA-dehydrogenas (fettsyraoxidation), succinatdehydrogenas (trikarboxylsyracykeln), mitokondriellt glycerol-3-fosfatdehydrogenas (NADH-skyttel in i mitokondrierna).

Reduktion av FAD i redoxreaktioner.

Säkerställa överföringen av elektroner från FADH2 till järn-svavelproteiner i det inre mitokondriella membranet. Dessa elektroner går sedan till koenzym Q.

46. ​​Biokemiska mekanismer för separation av oxidation och fosforylering, faktorer som orsakar dem Frånkoppling av andning och fosforylering

Vissa kemikalier (protonoforer) kan transportera protoner eller andra joner (jonoforer) från intermembranutrymmet genom membranet in i matrisen och kringgå protonkanalerna i ATP-syntas. Som ett resultat försvinner den elektrokemiska potentialen och ATP-syntesen upphör. Detta fenomen kallas frikoppling av andning och fosforylering. Som ett resultat av frånkopplingen minskar mängden ATP och ADP ökar. I det här fallet ökar oxidationshastigheten för NADH och FADH2, och mängden absorberat syre ökar också, men energi frigörs i form av värme och P/O-förhållandet minskar kraftigt. Som regel är frånkopplare lipofila ämnen som lätt passerar genom membranets lipidskikt. Ett av dessa ämnen är 2,4-dinitrofenol (fig. 6-17), som lätt övergår från en joniserad form till en icke-joniserad, fäster en proton i intermembranutrymmet och överför den till matrisen.

Exempel på frikopplare kan också vara vissa mediciner, till exempel dikumarol - ett antikoagulant (se avsnitt 14) eller metaboliter som bildas i kroppen, bilirubin - en produkt av katabolism (se avsnitt 13), tyroxin - ett sköldkörtelhormon (se avsnitt 11). Alla dessa ämnen uppvisar en frikopplingseffekt endast vid höga koncentrationer.

Att stänga av fosforylering vid utarmning av ADP eller oorganiskt fosfat åtföljs av hämning av andningen (andningskontrolleffekt). Stort antal effekter som skadar mitokondriella membranet stör kopplingen mellan oxidation och fosforylering, vilket gör att elektronöverföring kan ske även i frånvaro av ATP-syntes (frikopplingseffekt)

1. Total produktion:

För att syntetisera 1 ATP-molekyl krävs 3 protoner.

2. Hämmare av oxidativ fosforylering:

Inhibitorer blockerar V-komplexet:

Oligomycin - blockerar protonkanaler av ATP-syntas.

Atractylosid, cyklofyllin - blockera translokaser.

3. Frikopplare för oxidativ fosforylering:

Uncouplers är lipofila ämnen som kan ta emot protoner och överföra dem genom mitokondriernas inre membran, förbi V-komplexet (dess protonkanal). Frånskiljare:

Naturliga - produkter av lipidperoxidation, långkedjiga fettsyror; stora doser av sköldkörtelhormoner.

Konstgjord - dinitrofenol, eter, vitamin K-derivat, anestetika.