O'yinlar

Vodorod va elektronni tashish zanjiri (nafas olish zanjiri). Elektron uzatish komplekslari. Oksidlanishli fosforlanish. Oksidlanish va fosforlanishning kimyosmotik nazariyasi. Elektron tashish jarayonini ATP hosil bo'lishi bilan bog'lash mexanizmlari. Nafas olish

Oksidlanishli fosforlanish

Oksidlanishli fosforlanish mexanizmi birinchi marta Piter Mitchell tomonidan taklif qilingan. Ushbu gipotezaga ko'ra, ichki mitoxondriyal membranada sodir bo'lgan elektron almashinuvi H + ionlarining mitoxondriyal matritsadan membranalararo bo'shliqqa pompalanishiga olib keladi. Bu sitozol va yopiq intramitoxondrial bo'shliq o'rtasida H + ion kontsentratsiyasining gradientini hosil qiladi. Vodorod ionlari odatda mitoxondriyal matritsaga faqat bitta usulda - ATP - ATP sintazasini hosil qiluvchi maxsus ferment orqali qaytishga qodir.

Zamonaviy kontseptsiyalarga ko'ra, ichki mitoxondriyal membranada bir qator ko'p fermentli komplekslar, jumladan, ko'plab fermentlar mavjud. Bu fermentlar nafas olish fermentlari, ularning membranada joylashish ketma-ketligi esa nafas olish zanjiri (elektron tashish zanjiri) deb ataladi.

Oksidlanishli fosforlanishning umumiy printsipi

Umuman olganda, nafas olish zanjirining ishi quyidagicha:

Katabolizm reaktsiyalarida hosil bo'lgan NADH va FADH 2 vodorod atomlarini (ya'ni vodorod protonlari va elektronlarini) nafas olish zanjiri fermentlariga o'tkazadi.
Elektronlar nafas olish zanjirining fermentlari bo'ylab harakatlanadi va energiyani yo'qotadi.
Bu energiya H+ protonlarini matritsadan membranalararo bo'shliqqa chiqarish uchun sarflanadi.
Nafas olish zanjirining oxirida elektronlar kislorodga uriladi va uni suvga aylantiradi.
H + protonlari matritsaga qaytib, ATP sintazasidan o'tadi.
Shu bilan birga, ular ATP sintezi uchun ishlatiladigan energiyani yo'qotadilar.

Shunday qilib, NAD va FADning qaytarilgan shakllari nafas olish zanjiri fermentlari tomonidan oksidlanadi, buning natijasida ADP ga fosfat qo'shiladi, ya'ni fosforlanish. Shuning uchun butun jarayon oksidlovchi fosforlanish deb ataladi.

Proton potentsiali qayerda induksiyalangan? Proton potentsiali ATP sintazasi tomonidan ATPning kimyoviy bog'lanish energiyasiga aylanadi. ETC va ATP sintazasining konjugat ishi oksidlovchi fosforlanish deb ataladi.

Eukaryotik mitoxondriyalarda elektron tashish zanjiri NADH oksidlanishi va ubixinon Q ning kompleks I tomonidan qaytarilishi bilan boshlanadi. Keyin II kompleks suksinatni fumaratgacha oksidlaydi va ubixinon Q ni kamaytiradi. Ubiquinone Q sitoxrom c kompleksi III tomonidan oksidlanadi va qaytariladi. Zanjirning oxirida IV kompleks elektronlarning sitoxrom c dan kislorodga o'tishi va suv hosil bo'lishini katalizlaydi. Reaksiya natijasida har bir shartli ravishda chiqarilgan 6 proton va 6 elektronga 1 molekula O2 va 10 molekula NAD∙H sarflanishi hisobiga 2 molekula suv ajralib chiqadi.

Kompleks I yoki NADH dehidrogenaza kompleksi NAD-H ni oksidlaydi. Ushbu kompleks hujayrali nafas olish jarayonlarida markaziy rol o'ynaydi va. ATP sintezi uchun proton gradientining deyarli 40% ushbu kompleks tomonidan yaratilgan. Kompleks I NADH ni oksidlaydi va membranaga ajraladigan ubixinonning bir molekulasini kamaytiradi. Oksidlangan har bir NADH molekulasi uchun kompleks membrana bo'ylab to'rtta proton o'tkazadi. NADH dehidrogenaza kompleksi undan ikkita elektron oladi va ularni ubikinonga o'tkazadi. Ubiquinone lipidlarda eriydi. Membrananing ichidagi ubixinon III kompleksga tarqaladi. Shu bilan birga, kompleks I matritsadan 2 ta proton va 2 ta elektronni mitoxondriyaga haydaydi.

Kompleksning elektron tashish zanjiri I. Kulrang o'qlar - ehtimol bo'lmagan yoki endi ishlamay qolgan transport yo'li

N5 klasteri juda past potentsialga ega va butun zanjir bo'ylab elektronlarning umumiy oqimi tezligini cheklaydi. Temir-oltingugurt markazlari uchun odatiy ligandlar (to'rt sistein qoldig'i) o'rniga u uchta sistein qoldig'i va bitta gistid qoldig'i bilan muvofiqlashtiriladi, shuningdek, fermentda chuqur joylashgan bo'lsa-da, zaryadlangan qutb qoldiqlari bilan o'ralgan.

Klaster N7 faqat ba'zi bakteriyalarning I kompleksida mavjud. U boshqa klasterlardan sezilarli darajada olib tashlanadi va ular bilan elektron almasha olmaydi, shuning uchun u ko'rinib turibdiki, qoldiq. Kompleks I bilan bog'liq bo'lgan ba'zi bakterial komplekslarda N7 va boshqa klasterlar o'rtasida to'rtta saqlanib qolgan sistein qoldiqlari va bakterial kompleks Ida topilgan. Aquifex aeolicus N7 ni qolgan klasterlar bilan bog'laydigan qo'shimcha Fe 4 S 4 klasteri topildi. Bundan shunday xulosa kelib chiqadi A. aeolicus kompleks I, NADH dan tashqari, ularni N7 orqali uzatuvchi boshqa elektron donordan foydalanishi mumkin.

NADH dehidrogenaza kompleksi trikarboksilik kislota siklida matritsada hosil bo'lgan NADH ni oksidlaydi. NADH dan elektronlar membrana tashuvchisi ubiquinone Q ni tiklash uchun ishlatiladi, bu ularni mitoxondrial elektron tashish zanjirining keyingi kompleksi III kompleksiga yoki sitoxromga o'tkazadi. miloddan avvalgi 1-kompleks.

NADH dehidrogenaza kompleksi proton pompasi kabi ishlaydi: har bir oksidlangan NADH va qaytarilgan Q uchun to'rtta proton membrana orqali membranalararo bo'shliqqa pompalanadi:

Reaksiya jarayonida hosil bo'lgan elektrokimyoviy potentsial ATPni sintez qilish uchun ishlatiladi. Kompleks I tomonidan katalizlangan reaktsiya qaytar bo'ladi, bu jarayon aerobik süksinat ta'sirida NAD + qisqarishi deb ataladi. Membrananing yuqori potentsiali va haddan tashqari kamaytirilgan ubixinollar sharoitida kompleks elektronlar yordamida NAD + ni kamaytirishi va protonlarni matritsaga qaytarishi mumkin. Bu hodisa odatda süksinat ko'p bo'lsa, lekin kam oksaloatsetat yoki malat mavjud bo'lganda paydo bo'ladi. Ubiquinonning kamayishi suksinat dehidrogenaza yoki mitoxondriyal fermentlar tomonidan amalga oshiriladi. Yuqori proton gradienti sharoitida kompleksning ubiquinolga yaqinligi oshadi va ubixinolning oksidlanish-qaytarilish potentsiali uning kontsentratsiyasining oshishi tufayli kamayadi, bu elektronlarni ichki mitoxondriyal membrananing elektr potentsiali bo'ylab teskari tashish imkonini beradi. NAD. Bu hodisa laboratoriya sharoitida kuzatilgan, ammo bu tirik hujayrada sodir bo'ladimi yoki yo'qmi noma'lum.

Kompleks I bo'yicha tadqiqotlarning dastlabki bosqichlarida keng muhokama qilingan model kompleksda shunga o'xshash tizim ishlaydi degan taxminga asoslangan edi. Biroq, keyingi tadqiqotlar kompleks I tarkibida o'ziga xos bog'langan xinonlar topilmadi va bu gipotezani butunlay rad etdi.

NADH dehidrogenaza kompleksi fermentning o'zida konformatsion o'zgarishlar orqali noyob proton tashish mexanizmiga ega. ND2, ND4 va ND5 bo'linmalari bir-biriga va bakterial Mrp Na + / H + antiportlariga homolog bo'lgani uchun antiportga o'xshash deb ataladi. Ushbu uchta bo'linma uchta asosiy proton kanalini hosil qiladi, ular saqlangan zaryadlangan aminokislota qoldiqlaridan (asosan lizin va glutamat) iborat. To'rtinchi proton kanali Nqo8 subunitining bir qismi va ND6, ND4L va ND3 kichik bo'linmalari tomonidan hosil bo'ladi. Kanal tuzilishi jihatidan antiportga o'xshash bo'linmalarning o'xshash kanallariga o'xshaydi, lekin matritsa tomonida g'ayrioddiy darajada zich joylashgan glutamat qoldiqlarini o'z ichiga oladi, shuning uchun u E-kanal deb ataladi (standart sifatida lotin E ishlatiladi. glutamat uchun belgi). ND5 bo'linmasining C-terminalidan g'ayrioddiy uzun (110 Å) a-spiral (HL) bilan bog'langan ikkita transmembran spiraldan iborat kengaytma chiqadi, ular kompleksning matritsaga qaragan tomoni bo'ylab o'tib, uchtasini ham jismoniy bog'laydi. antiportga o'xshash bo'linmalar va, ehtimol, elektron tashishni konformatsion qayta tashkil etish bilan bog'lashda ishtirok etadi. Yana bir bog‘lovchi element bH bir-birining ustiga qo‘yilgan va a-spirallar qatoridan hosil bo‘lib, kompleksning qarama-qarshi, periplazmik tomonida joylashgan. Elektron transporti proton ko'chishi bilan qanday bog'liqligi hali to'liq noma'lum. N2 klasterining kuchli manfiy zaryadi atrofdagi polipeptidlarni itarib yuborishi mumkin, bu esa qandaydir tarzda bir-biridan ancha uzoqda joylashgan barcha antiportga o'xshash bo'linmalarga tarqaladigan konformatsion o'zgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin. Boshqa gipoteza shuni ko'rsatadiki, konformatsion o'zgarish g'ayrioddiy uzun ubiquinon bog'lanish joyini ubiquinol Q-2 ni juda past redoks potentsiali va manfiy zaryad bilan barqarorlashtirishga olib keladi. Konformatsion o'zgarishlar kinetikasining ko'plab tafsilotlari va ular bilan bog'liq proton transporti noma'lumligicha qolmoqda.

Eng ko'p o'rganilgan kompleks I inhibitori rotenon (organik pestitsid sifatida keng qo'llaniladi). Rotenon va rotenoidlar izoflavonoidlar bo'lib, ular bir nechta tropik o'simliklarning ildizlarida mavjud, masalan. Antonia (Loganiaceae), Derris Va Lonchokarpus (Fabaceae). Rotenon uzoq vaqtdan beri insektitsid va baliq zahari sifatida ishlatilgan, chunki hasharotlar va baliqlarning mitoxondriyalari unga ayniqsa sezgir. Ma'lumki, frantsuz Gvianasining tub aholisi va boshqa Janubiy Amerika hindulari 17-asrdayoq baliq ovlash uchun rotenon o'z ichiga olgan o'simliklardan foydalanganlar. Rotenon ubiquinone bilan bog'lanish joyi bilan o'zaro ta'sir qiladi va asosiy substrat bilan raqobatlashadi. Rotenon tomonidan kompleks I ning uzoq muddatli tizimli inhibisyoni dopaminerjik neyronlarning selektiv o'limiga olib kelishi mumkin (dopamin neyrotransmitterini chiqaradi). Pieritsidin A, boshqa kuchli kompleks I ingibitori, tuzilishi jihatidan ubikinonga o'xshash, xuddi shunday harakat qiladi. Barbiturik kislotaning hosilasi bo'lgan natriy amital ham ushbu guruhga kiradi.

Kompleks I ni 50 yildan ortiq o'rganishga qaramay, kompleks ichida elektron o'tkazuvchanligini bloklaydigan inhibitorlarni aniqlashning iloji bo'lmadi. Rotenon yoki pieritsidin kabi gidrofobik ingibitorlar N2 terminal klasteridan ubikinonga elektron o'tkazilishini shunchaki to'xtatadi.

Kompleks I ni bloklaydigan yana bir modda NADH oksidlanish reaktsiyasida adenozin difosfat ribozadir. U nukleotidlarni bog'lash joyida (FAD) ferment bilan bog'lanadi.

I kompleksining eng kuchli ingibitorlaridan ba'zilari atsetogeninlar oilasini o'z ichiga oladi. Ushbu moddalar ND2 subbirligi bilan kimyoviy o'zaro bog'liqliklarni hosil qilishi ko'rsatilgan, bu bilvosita ND2 ning ubiquinonni bog'lashdagi rolini ko'rsatadi. Shunisi qiziqki, asetogenin roliniastatin-2 rotenondan boshqa joyda bog'lanish uchun kashf etilgan birinchi kompleks I inhibitori edi.

Antidiyabetik preparat metformin o'rtacha inhibitiv ta'sirga ega; Ko'rinishidan, preparatning bu xususiyati uning ta'sir qilish mexanizmiga asoslanadi.

Suksinatdan elektronlar birinchi navbatda FAD ga, so'ngra Fe-S klasterlari orqali Q ga o'tkaziladi. Kompleksda elektron tashish proton gradientining hosil bo'lishi bilan birga kelmaydi. Suksinatning oksidlanishida hosil boʻlgan 2H+ membrananing xuddi shu tomonida, yaʼni matritsada qoladi, soʻngra xinon qaytarilganda qayta soʻriladi. Shunday qilib, kompleks II membrana bo'ylab proton gradientini yaratishga hissa qo'shmaydi va faqat suksinatdan ubiquinonga elektron tashuvchi sifatida ishlaydi.

Suksinatning oksidlanishi natijasida uning elektronlari FAD ga o'tkaziladi va keyin temir-oltingugurt klasterlari zanjiri bo'ylab klasterdan klasterga o'tkaziladi. U erda bu elektronlar bog'lanish joyida kutib turgan ubiquinon molekulasiga o'tkaziladi.

Elektronning to'g'ridan-to'g'ri klasterdan gemaga o'tishining oldini olish uchun maxsus eshik mexanizmi ishlaydi, degan taxmin ham mavjud. Darvoza uchun ehtimoliy nomzod, temir-oltingugurt klasteri va gem o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri bog'langan ubikinonga yaqin joylashgan va bu oksidlanish-qaytarilish markazlari orasidagi elektronlar oqimini boshqarishi mumkin bo'lgan to'g'ridan-to'g'ri B subbirligining histidin -207.

Kompleks II ingibitorlarining ikkita klassi mavjud: ba'zilari suksinat bog'lovchi cho'ntakni bloklaydi, boshqalari ubiquinolni bog'lovchi cho'ntakni bloklaydi. Ubiquinolni taqlid qiluvchi ingibitorlarga karboksin va tenoyltriftoratseton kiradi. Suksinatning ingibitorlari-analoglari sintetik birikma malonatni, shuningdek Krebs siklining tarkibiy qismlarini, malat va oksaloatsetatni o'z ichiga oladi. Qizig'i shundaki, oksaloatsetat eng kuchli kompleks II inhibitörlerinden biridir. Nima uchun trikarboksilik kislota siklining keng tarqalgan metaboliti kompleks II ni inhibe qilishi noma'lumligicha qolmoqda, garchi u superoksid hosil bo'lishiga olib keladigan kompleks Ida teskari elektron tashishni minimallashtirish orqali himoya rolini o'ynashi mumkinligi taxmin qilingan.

Ubiquinolga taqlid qiluvchi inhibitorlar 1960-yillardan beri qishloq xo'jaligida fungitsidlar sifatida qo'llanilgan. Masalan, karboksin asosan bazidiomitsetlar keltirib chiqaradigan kasalliklar, masalan, poya zang va bazidiomitset kasalliklari uchun ishlatilgan. Rizoktoniya. So'nggi paytlarda ular bostirilgan patogenlar kengroq bo'lgan boshqa birikmalar bilan almashtirildi. Bunday birikmalarga boskalid, pentiopirad va fluopiram kiradi. Qishloq xo'jaligida muhim bo'lgan ba'zi qo'ziqorinlar ushbu yangi avlod inhibitorlarining ta'siriga sezgir emas.

Sitokrom-bc1-kompleks (sitoxrom kompleksi miloddan avvalgi 1) ubiquinol-sitoxrom c-oksidoredüktaza yoki kompleks III - elektron tashishning nafas olish zanjirining ko'p oqsilli kompleksi va mitoxondriyal membranadagi proton gradientining eng muhim biokimyoviy generatori. Ushbu multiproteinli transmembran kompleksi mitoxondrial (sitoxrom b) va yadro genomlari.

sitoxrom - b 1-kompleks qaytarilgan ubikinonni oksidlaydi va sitoxrom c (E°"=+0,25 V)ni tenglamaga muvofiq kamaytiradi:

Kompleksdagi elektron transporti protonlarning matritsadan (ichiga) membranalararo bo'shliqqa (tashqariga) o'tishi va mitoxondriyal membranada proton gradientining paydo bo'lishi bilan bog'liq. Ubikinondan sitoxrom c ga transport zanjiri bo'ylab o'tadigan har ikki elektron uchun matritsadan ikkita proton so'riladi va yana to'rttasi membranalararo bo'shliqqa chiqariladi. Reduktsiyalangan sitoxrom c suvli fraktsiyada membrana bo'ylab harakatlanadi va bir elektronni keyingi nafas olish kompleksiga, sitoxrom oksidazaga o'tkazadi.

Voqea sodir bo'lgan hodisalar 1976 yilda Piter Mitchell tomonidan ilgari surilgan Q-sikl deb nomlanadi. Q-siklning printsipi shundaki, H+ ning membrana bo'ylab o'tishi kompleksning o'zida xinonlarning oksidlanishi va qaytarilishi natijasida sodir bo'ladi. Bunday holda, kinonlar mos ravishda suvli fazadan membrananing turli tomonlaridan tanlab 2H + ni beradi va oladi.

III kompleksning tuzilishi ikkita markazga yoki ikkita "cho'ntak" ga ega, ularda xinonlar bog'lanishi mumkin. Ulardan biri Q out markazi temir-oltingugurt klasteri 2Fe-2S va gem o'rtasida joylashgan. b L membrananing tashqi tomoniga yaqin, membranalararo bo'shliqqa qaragan. Qisqartirilgan ubiquinone (QH 2) bu cho'ntakda bog'lanadi. Ikkinchisi, cho'ntakdagi Q, oksidlangan ubiquinonni (Q) bog'lash uchun mo'ljallangan va matritsa bilan aloqa qiladigan membrananing ichki (ichki) tomoniga yaqin joylashgan.

Q-siklning ishlashi uchun zarur va paradoksal shart - bu ikki bog'lanish markazidagi semikinonlarning umri va holati har xil bo'lishidir. Q chiqish markazida Q beqaror bo'lib, past potentsial gemga e - berish qobiliyatiga ega kuchli qaytaruvchi vosita sifatida ishlaydi. Markazdagi Qda nisbatan uzoq umr ko'radigan Q - hosil bo'ladi, uning potentsiali gemdan elektronlarni qabul qilib, oksidlovchi vosita sifatida harakat qilish imkonini beradi. b H. Q-siklning yana bir asosiy nuqtasi kompleksga kiritilgan ikkita elektronning ikki xil yo'l bo'ylab ajralishi bilan bog'liq. Kompleksning kristall tuzilishini o'rganish shuni ko'rsatdiki, 2Fe-2S markazining boshqa oksidlanish-qaytarilish markazlariga nisbatan o'rni o'zgarishi mumkin. Ma'lum bo'lishicha, Rieske oqsili mobil domenga ega bo'lib, unda aslida 2Fe-2S klasteri joylashgan. Elektronni qabul qilib, qisqargan holda 2Fe-2S markazi o'z o'rnini o'zgartiradi, Q chiqish markazidan va gemdan uzoqlashadi. b L 17 ga 60 ° aylanish bilan va shu bilan sitoxromga yaqinlashadi c. Tsitoxromga elektron berib, 2Fe-2S markazi, aksincha, yaqinroq aloqa o'rnatish uchun Q chiqish markaziga yaqinlashadi. Shunday qilib, ikkinchi elektronning gemlarga o'tishini kafolatlaydigan bir xil moki ishlaydi b L va b H. Hozircha, bu komplekslardagi elektronlarni tashish oqsil tarkibidagi mobil domen bilan bog'liq bo'lgan yagona misol.

Elektronlarning kichik bir qismi IV kompleksga yetmasdan oldin transport zanjirini tark etadi. Elektronlarning kislorodga doimiy oqishi natijasida superoksid hosil bo'ladi. Bu kichik yon reaktsiya reaktiv kislorod turlarining butun spektrini shakllantirishga olib keladi, ular juda toksik bo'lib, patologiyalar va qarishning rivojlanishida muhim rol o'ynaydi). Elektron qochqinlar asosan Q in saytida sodir bo'ladi. Bu jarayonni antimitsin A rag'batlantiradi. Gemlarni bloklaydi b ularning reduksiyalangan holatida, elektronlarni Q semiquinonga to'kilishiga to'sqinlik qiladi, bu esa o'z navbatida uning konsentratsiyasining oshishiga olib keladi. Semikinon kislorod bilan reaksiyaga kirishadi, bu superoksid hosil bo'lishiga olib keladi. Olingan superoksid mitoxondriyal matritsaga va membranalararo bo'shliqqa kiradi, u erdan sitozolga kirishi mumkin. Bu haqiqatni Kompleks III, ehtimol zaryadsizlangan HOO shaklida superoksid hosil qilishi bilan izohlash mumkin, bu zaryadlangan Superoksid (O 2 -) bilan solishtirganda tashqi membranaga osonroq kirib boradi.

Ushbu moddalarning ba'zilari fungitsidlar (masalan, strobilurin hosilalari, eng yaxshi ma'lum bo'lgan azoksistrobin, Q ext-sayt inhibitori) va antimalaryal (atovaquon) sifatida ishlatiladi.

Sitokrom c oksidaz (sitoxrom oksidaz) yoki sitoxrom c oksidoreduktaza, shuningdek, sitoxrom aa 3 va kompleks IV sifatida ham tanilgan, aerob nafas olish elektronlarini tashish zanjirining terminal oksidazasi bo'lib, sitoxromdan elektronlarning o'tkazilishini katalizlaydi. Bilan suv hosil qilish uchun kislorodga. Sitokrom oksidaza barcha eukariotlar mitoxondriyalarining ichki membranasida mavjud bo'lib, u odatda kompleks IV deb ataladi, shuningdek, ko'plab aerob bakteriyalarning hujayra membranasida.

IV kompleks sitoxrom c ning to'rt molekulasini ketma-ket oksidlaydi va to'rtta elektronni qabul qilib, O 2 ni H 2 O ga kamaytiradi. O 2 ni kamaytirish jarayonida to'rtta H + ni ushlaydi.

Elektron tashish zanjirining fermentlari mitoxondriyal membranada shunday mahkamlanadiki, ularning ta'siri vektorli bo'ladi, ya'ni nafaqat reaksiya tezligining kattaligi bilan, balki transport ATPazalari ta'siriga o'xshash fazoviy yo'nalish bilan ham tavsiflanadi. . Nafas olish zanjiridagi vektorning asosiy ko'rinishi vodorod ionlarini membrananing ichki tomonidan (matritsa tomondan) tashqi tomonga (membranalararo bo'shliqqa) o'tkazishdir.

Nafas olish zanjirida protonning pompalanishi bilan bog'liq uchta nuqta mavjud: komplekslar I, III va IV.
Koenzim Q NADH dehidrogenaza (kompleks I) ishtirokida membrananing matritsa tomonida nafas olish zanjiri tarkibiy qismlaridan elektronlarni (shuningdek protonlarni) biriktiradi va membrananing qarama-qarshi tomonida elektronlar va protonlar ajralib chiqadi. , va elektronlar nafas olish zanjirining keyingi komponenti tomonidan qabul qilinadi va protonlar membranalararo bo'shliqqa o'tadi. Bu mexanizm Q-sikl deb ataladi. Sitokrom c reduktaza (kompleks III) xuddi shunday harakat qiladi. Sitokrom oksidaza (kompleks IV) hududida Cu2+ ionlari protonni pompalashda ishtirok etishi mumkin.
Har bir kompleks orqali ikkita elektronning o'tkazilishi to'rtta protonning pompalanishiga imkon beradi. Shunday qilib, elektron tashish zanjiri proton nasosi vazifasini bajaradi, vodorod ionlarini matritsadan membrananing tashqi tomoniga pompalaydi.
Natijada, membrananing yon tomonlarida proton kontsentratsiyasidagi farq va shu bilan birga, tashqi yuzada ortiqcha belgisi bo'lgan elektr potentsiallaridagi farq paydo bo'ladi. Boshqacha aytganda, moddalarning oksidlanish-qaytarilish potentsialidagi farqning energiyasi ArH+ proton elektrokimyoviy potensialining energiyasiga aylanadi.
Elektrokimyoviy potentsial protonlarni teskari yo'nalishda - tashqi yuzadan ichki tomonga harakat qilishga majbur qiladi. ATP sintetaza juda katta oligomerik oqsil bo'lib, unda uchta qism ajralib turadi: mitoxondriyal matritsaga (F1) chiqadigan qismi, uch juft sf dimeridan qurilgan; gidrofil kanalni tashkil etuvchi transmembran qismi (F0) va oraliq hudud FA. F1 subbirligida ATP sintez qiluvchi faol saytlar mavjud. Protonlar ATP sintaza kanali orqali harakatlanadi va bu harakatning energiyasi ATP hosil qilish uchun sarflanadi. Bog'lanishning o'ziga xos mexanizmlari, ya'ni elektrokimyoviy potentsialning ATP ning makroergik bog'lanish energiyasiga aylanishi hali ham to'liq aniq emas.
Olingan ATP, ADP-ATP translokazasi ishtirokida, matritsadan membrananing tashqi tomoniga o'tkaziladi va sitozolga kiradi. Shu bilan birga, xuddi shu translokaz ADP ni teskari yo'nalishda, sitozoldan mitoxondriyal matritsaga o'tkazadi.
Sun'iy sharoitda, in vitro tajribalarida, ichki membrananing ichki yuzasidan ortiqcha ATP hosil qilish mumkin. Bunday holda, reaktsiya o'ngdan chapga boradi, ya'ni ferment protonlarni (H + - ATPaz) uzatuvchi transport ATPazasi sifatida ishlaydi. Bunda membrana quvvatlanadi: ATP gidrolizlanish energiyasi hisobiga ArH+ paydo bo'ladi.

11.3.3.1. Elektron tashuvchilar

Elektron tashuvchilar ichki mitoxondriyal membrananing yuzasida yoki chuqurligida joylashgan bo'lib, ular xoch shaklida joylashgan bo'lib, ularning soni va o'rash zichligi hujayraning energiya ehtiyojlari bilan bog'liq.

Ko'pgina elektron tashuvchilar protez guruhi sifatida gemni o'z ichiga olgan oqsillardir.

Gem molekulasining xossalari u biriktirilgan oqsilga bog'liq. Bundan tashqari, turli sitoxromlardagi gemlar yon guruhlarning tuzilishi va apoproteinga biriktirilish usulida farq qilishi mumkin. Shuning uchun sitoxromlar oksidlanish-qaytarilish potentsialida farq qilishi mumkin, garchi ularning barchasi deyarli bir xil protez guruhlariga ega.

Elektron tashuvchilar sitoxromlar deb ataladi, chunki ular qizil rangga ega. Turli sitoxromlar harf indekslari bilan belgilanadi: s 1, s, a, a 3 – ularning sxemada joylashishi tartibida.

Gem bo'lmagan temir o'z ichiga olgan elektron tashuvchilarning yana bir turiga temir atomlari protein sistein qoldiqlarining sulfgidril guruhlari bilan, shuningdek qoldiqlarning sulfgidril anionlari bilan bog'langan, temir-oltingugurt komplekslari yoki markazlari ( 29-rasm).

Guruch. 29. Temir-oltingugurt markazining tuzilishi

Tsitoxromlarda bo'lgani kabi, bunday markazlardagi temir atomlari ferro(Fe 2+) va ferri (Fe 3+) holatlarga o'tib, elektronlarni qabul qilishi va berishi mumkin. Temir-oltingugurt markazlari flavin o'z ichiga olgan fermentlar bilan birgalikda ishlaydi, yog'larning oksidlanishida ishtirok etadigan suksinat dehidrogenaza va dehidrogenazlardan elektronlarni qabul qiladi.

Tashuvchining yana bir turi FMN o'z ichiga olgan oqsildir. FMN (flavin adenin mononukleotidi) - FAD molekulasining flavin yarmi bo'lgan birikma. FMN elektronlarni FADN dan temir-oltingugurt markazlariga o'tkazadi.

Barcha oqsil tashuvchilar membranada qat'iy belgilangan pozitsiyani egallagan va ma'lum bir tarzda yo'naltirilgan integral oqsillardir. Istisno sitoxrom c bo'lib, u tashqi membrana bilan erkin bog'langan va uni osongina tark etadi.

Yagona oqsil bo'lmagan elektron tashuvchisi ubiquinon bo'lib, u bir tomondan xinon, boshqa tomondan esa hamma joyda uchraydi (ingliz tilidan. hamma joyda mavjud- hamma joyda mavjud). Uning qisqartirilgan nomi CoQ, UQ yoki oddiygina Q. Barcha temir-oltingugurt markazlari elektronlarni ubikinonga beradi.

Qaytarilish vaqtida ubixinon nafaqat elektronlarni, balki protonlarni ham oladi (30-rasm).

30-rasm. Ubiquinone - koenzim Q (a)
va uning oksidlanish-qaytarilishlari (b)

Bir elektronli qaytarilganda semikinonga (organik erkin radikal), ikki elektronli qaytarilganda esa gidroxinonga aylanadi. Bu ubiquinone ikkita emas, balki bitta elektronning tashuvchisi sifatida xizmat qilish imkonini beruvchi erkin radikalning oraliq shakllanishi. Juda uzun hidrofobik dum (ketma-ket o'nta izoprenoid qoldiqda 40 ta uglerod atomi) ubiquinonga ichki mitoxondriyal membrananing qutbsiz qatlamiga osongina kirish va erkin harakat qilish qobiliyatini beradi.

11.3.3.2. Vektorlarning joylashuvi

Tashuvchilar orasidagi elektronlar oqimi qaytarilish potentsiali yuqori bo'lgan (ya'ni, oksidlanish-qaytarilish potentsiali past) tashuvchidan kam qaytarilish potentsialiga ega (ya'ni ko'proq oksidlangan, yuqori oksidlanish-qaytarilish potentsialiga ega) tashuvchiga yo'naltiriladi (31-rasm).

31-rasm. Mitoxondriyadagi nafas olish zanjiri komponentlarining oksidlanish-qaytarilish potentsiallari

Mitoxondriyal zanjirda tashuvchilar turli oksidlanish-qaytarilish potentsialiga ega.

Zanjirdagi elektron tashuvchilar sxemada shunday joylashganki, DG 0 (erkin energiya) asta-sekin kamayadi va mos ravishda oksidlanish-qaytarilish potentsiali ortadi. Zanjirga ulashgan tashuvchiga elektron o'tkazishning har bir bosqichida erkin energiya chiqariladi.

Glyukoza oksidlanishi jarayonida elektronlar NADH va FADH 2 dan kislorodga o'tadi. Ushbu jarayonda ko'plab tashuvchilar ishtirok etadilar, ammo ularni mitoxondriyal membranaga kiritilgan to'rtta kompleksga birlashtirish mumkin.
(32-rasm).

Guruch. 32. To'rtta elektron transport kompleksi
mitoxondriyal membranada

Komplekslar o'rtasida elektronlar mobil tashuvchilar bilan birgalikda harakat qiladi: ubiquinone va sitoxrom c. Ubiquinone I va II komplekslardan elektronlarni oladi va ularni III kompleksga o'tkazadi. Sitokrom c III va IV komplekslar o'rtasida vositachi bo'lib xizmat qiladi. Kompleks I elektronlarni NADH dan Q ga o'tkazadi; kompleks II - suksinatdan FADN 2 orqali Q gacha; III kompleksi sitoxrom c ni kamaytirish uchun QH 2 dan foydalanadi va IV kompleks sitoxromdan elektronlarni uzatadi. Bilan kislorod uchun. I, III va IV komplekslari mos ravishda NADH-CoQ reduktaza, CoQH 2 -sitoxrom deb ataladi. Bilan-reduktaza va sitoxrom oksidaza. IV kompleks - sitoxrom oksidaza - bir nechta oqsillardan iborat. U sitoxromdan elektronlarni oladi Bilan ichki mitoxondriyal membrananing tashqi tomonida. Kislorodga yo'lda bu elektronlar sitoxromlardan o'tadi A Va a 3, tarkibida mis atomlari bor, ular navbatma-navbat Cu + va Cu 2+ holatlariga aylanadi. Sitokrom oksidaza erkin kislorodni kamaytiradi:

O 2 + 4 e - + 4H + ® 2H 2 O

11.3.3.3. Mitchellning kimyosmotik nazariyasi

Nafas olish zanjiri bo'ylab elektronlarni tashish ATP hosil bo'lishiga olib keladi. Elektronlarni ATP sintezi bilan bogʻlash mexanizmi kontseptsiyasi ingliz biokimyogari Piter Mitchell tomonidan 1961 yilda ishlab chiqilgan (Mitchell 1978 yilda Nobel mukofoti bilan taqdirlangan). Mitchell elektronlar oqimi protonlarni mitoxondriyadan atrofdagi muhitga haydab, membrana bo'ylab proton gradientini hosil qilishini aniqladi (tashqi eritmaning pH darajasi pasayadi). Protonlar musbat zaryadlangan zarralar bo'lganligi sababli, ularning mitoxondriyadan tashqariga chiqarilishi tufayli membranada elektr potentsialidagi farq (minus - ichki) va pH farqi (yuqori - ichki) paydo bo'ladi. Elektr va kontsentratsiya gradientlari birgalikda (Mitchell bo'yicha) ATP sintezi uchun energiya manbai bo'lgan proton harakatlantiruvchi kuchini tashkil qiladi (33-rasm).

Guruch. 33. Ichkarida ATP sintezi sxemasi
mitoxondrial membrana

Proton harakatlantiruvchi kuchi ATP sintaza komplekslarini harakatga keltiradi, ular ADP va fosfordan ATPni sintez qilish uchun elektronlar oqimidan foydalanadilar.Komplekslar maxsus proton kanallaridir (kristallarning ichki yuzasini qoplaydigan qo'ziqorin shaklidagi proyeksiyalar). Kompleks bir-biriga bog'langan ikkita komponent F 0 F 1 bilan ifodalanadi, ularning har biri bir nechta oqsil molekulalaridan iborat. F 0 membranada chuqurchaga, F 1 esa uning yuzasida joylashgan. Aynan F1da ATP sintezlanadi, F0 esa proton kanalining vazifasini bajaradi (34-rasm).

34-rasm. E. coli dan F 0 F 1 ATP sintetazasining "qo'ziqorin" tuzilishining sxematik tasviri. F 0 komponenti membranaga kirib, protonlar uchun kanal hosil qiladi. Taxminlarga ko'ra, F 1 uchta a va uchta b bo'linmalaridan iborat bo'lib, ular "qo'ziqorin qopqog'i" kabi geksamerik tuzilmani tashkil qiladi va F 0 ni bog'laydigan "tayoq" hosil qiluvchi bir g, bitta d va bitta e bo'linmalaridan iborat. F 1 kanaliga

ATP sintetaza orqali ATP qanday hosil bo'lishi aniq ma'lum emas. Bir nazariyaga ko'ra, protonlarning F0 omili orqali ko'chirilishi paytida, ADP va fosfordan ATPni sintez qiladigan F1 komponentida konformatsion o'zgarishlar ro'y beradi.

NADH dan kislorodga o'tkazilgan har bir elektron jufti uchun mitoxondriyal matritsadan pompalanadigan 10 ta proton mavjud. Shunday qilib, 1 NADH molekulasining oksidlanishi 2,5 ATP molekulasining sinteziga olib keladi va 1 FADH 2 molekulasining oksidlanishi 1,5 ATP molekulasining sinteziga olib keladi. Ilgari, mos ravishda uchta va ikkita ATP molekulasi sintez qilingan deb hisoblar edi. Bu miqdorlar odatda P/O nisbati deb ataladi, chunki 2 ta elektronning uzatilishi 1 kislorod atomining qisqarishiga teng.

Glyukoza molekulasining CO 2 va H 2 O ga oksidlanishida ATP ning chiqishi.

Glikoliz 2 ta ATP molekulasini hosil qiladi (4 ta ishlab chiqariladi, lekin 2 tasi iste'mol qilinadi). Glikoliz jarayonida sitoplazmada glyukozaning 1 molekulasiga 2 ta NADH molekulasi ham hosil bo'ladi. Limon kislotasi aylanishida 2 ta ATP molekulasi hosil bo'ladi (1 glyukoza molekulasidan 2 ta atsetil-KoA molekulasi hosil bo'lib, tsiklning ikki aylanishini keltirib chiqaradi).

Glyukozaning har 1 molekulasi uchun piruvatdehidrogenaza 2 molekula NADH, limon kislotasi sikli esa 6 molekula NADH hosil qiladi. Ularning oksidlanishi 20 ta ATP molekulasining sinteziga olib keladi. Suksinatning fumaratga aylanishi jarayonida FADH 2 ning oksidlanishi tufayli yana uchta ATP molekulasi hosil bo'ladi.

ATP molekulalarining umumiy chiqishi hujayralar tomonidan NADH ni nafas olish zanjiriga etkazib berish uchun qaysi vosita mexanizmidan (glitserofosfat va malat aspartat) foydalanishiga bog'liq bo'ladi. Glitserin fosfat mexanizmida NADH dan elektronlar dihidroksiasetonfosfatga o'tib, glitserin-3-fosfat hosil qiladi, bu elektronlarni nafas olish zanjiriga o'tkazadi (35-rasm). Bu glitserin-3-fosfat dehidrogenaza fermenti ishtirokida sodir bo'ladi. Sitoplazmatik NADH yordamida flavoprotein - glitserin-3-fosfat dehidrogenazaning prostetik guruhi bo'lgan mitoxondrial FAD tiklanadi.

Guruch. 35. Glitserin fosfatni tashish mexanizmi

Boshqa shuttle sistemasi - malat-aspartat tizimi elektronlarni sitoplazmatik NADH dan mitoxondrial NAD + ga o'tkazadi (36-rasm). Bu elektron tashish zanjirida yanada oksidlangan mitoxondrial NADH hosil bo'lishiga olib keladi. Sitoplazmada NADH oksaloatsetatni malatga aylantiradi. Ikkinchisi tashuvchi yordamida mitoxondriyaga kiradi va u erda NAD + ning kamayishi bilan oksaloatsetatga qayta oksidlanadi. Oksaloatsetatning o'zi mitoxondriyani tark eta olmaydi, shuning uchun u birinchi navbatda aspartatga aylanadi, u tashuvchi tomonidan sitoplazmaga o'tkaziladi. Sitoplazmada aspartat dezaminlanadi, oksaloatsetatga aylanadi va shu bilan shuttle mexanizmini yopadi.

36-rasm. Elektron uzatish uchun malat-aspartat moki tizimi

Strukturaviy va funktsional bog'liq transmembran oqsillari va elektron tashuvchilar tizimi. U NAD*H va FADH2 ning molekulyar kislorod bilan oksidlanishida ajralib chiqadigan energiyani zanjir bo‘ylab elektronning ketma-ket o‘tishi, protonlarning membrana orqali o‘tishi bilan bog‘liq holda transmembran proton potensiali ko‘rinishida saqlash imkonini beradi. Eukariotlardagi transport zanjiri ichki mitoxondriyal membranada joylashgan. Nafas olish zanjirida 4 ta multifermentli komplekslar mavjud. Elektron uzatishda ishtirok etmaydigan, ammo ATP ni sintez qiladigan yana bir kompleks mavjud.

1-CoA oksidoreduktaza.

1.NADH dan elektronlarni qabul qiladi va ularni Q koenzimiga (ubixinon) o'tkazadi. 2.Ichki mitoxondriyal membrananing tashqi yuzasiga 4 H+ ionini uzatadi.

2-FADga bog'liq dehidrogenazalar.

1. FADni sitoxrom c oksidoreduktaza bilan kamaytirish.

2.Q koenzimdan elektronlarni qabul qilib, sitoxrom c ga o‘tkazadi.

3.Ichki mitoxondriyal membrananing tashqi yuzasiga 2 H+ ionini uzatadi.

4-sitoxrom c-kislorod oksidoreduktaza.

1.Sitoxrom c dan elektronlarni qabul qiladi va ularni kislorodga o'tkazib, suv hosil qiladi.

2.Ichki mitoxondriyal membrananing tashqi yuzasiga 4 H+ ionini uzatadi. Aerobik sharoitda dehidrogenazlar tomonidan substratlardan ajratilgan barcha vodorod atomlari NADH yoki FADH2 ning bir qismi sifatida ichki mitoxondriyal membranaga etib boradi.

Elektronlar harakatlanayotganda energiyani yo'qotadi -> energiya komplekslar tomonidan H protonlarini haydashga sarflanadi.H ionlarining ko'chishi qat'iy belgilangan sohalarda -> konjugatsiya sohalarida sodir bo'ladi.Natija: ATP hosil bo'ladi: H+ ionlari ATP sintazasidan o'tib o'z energiyasini yo'qotadi. Ushbu energiyaning bir qismi ATP sinteziga sarflanadi. Boshqa qismi esa issiqlik sifatida tarqaladi.

Mitoxondriyal nafas olish zanjiri 5 ta multifermentli komplekslardan iborat bo'lib, ularning subbirliklari ham yadro, ham mitoxondrial genlar tomonidan kodlangan. Koenzim Q10 va sitoxrom c elektron tashishda ishtirok etadi. Elektronlar NAD*H va FAD"H molekulalaridan kelib chiqadi va nafas olish zanjiri bo'ylab tashiladi. Bo'shatilgan energiya protonlarni mitoxondriyaning tashqi membranasiga o'tkazish uchun ishlatiladi va hosil bo'lgan elektrokimyoviy gradient ATP ning kompleks V kompleksi yordamida sintez qilish uchun ishlatiladi. mitoxondrial nafas olish zanjiri

44. Nafas olish zanjiridagi elektron tashuvchilarning ketma-ketligi va tuzilishi

1 kompleks. NADH-CoQ oksidoreduktaza

Ushbu kompleks, shuningdek, NADH dehidrogenazning ishchi nomiga ega, FMN (flavin mononukleotid), 22 ta oqsil molekulasini o'z ichiga oladi, ulardan 5 tasi umumiy molekulyar og'irligi 900 kDa gacha bo'lgan temir-oltingugurt oqsillari.

NADH dan elektronlarni qabul qiladi va ularni Q koenzimiga (ubixinon) o'tkazadi.

4 H+ ionini ichki mitoxondriyal membrananing tashqi yuzasiga uzatadi.

2 kompleks. FADga bog'liq dehidrogenazalar

U ichki membranada joylashgan FADga bog'liq fermentlarni o'z ichiga oladi - masalan, asil-SCoA dehidrogenaza (yog 'kislotasi oksidlanishi), suksinat dehidrogenaza (trikarboksilik kislota aylanishi), mitoxondrial glitserin-3-fosfat dehidrogenaza (NADH mitoxondriyaga o'tish) .

Oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarida FADning kamayishi.

Elektronlarning FADN2 dan ichki mitoxondriyal membrananing temir-oltingugurt oqsillariga o'tkazilishini ta'minlash. Keyin bu elektronlar Q koenzimiga boradi.

46. Oksidlanish va fosforlanishni ajratishning biokimyoviy mexanizmlari, ularni keltirib chiqaruvchi omillar. Nafas olish va fosforlanishning uzilishi

Ba'zi kimyoviy moddalar (protonoforlar) proton yoki boshqa ionlarni (ionoforlarni) membranalararo bo'shliqdan membrana orqali matritsaga, ATP sintazasining proton kanallarini chetlab o'tishi mumkin. Natijada elektrokimyoviy potentsial yo'qoladi va ATP sintezi to'xtaydi. Bu hodisa nafas olish va fosforlanishning uzilishi deb ataladi. Ajralish natijasida ATP miqdori kamayadi va ADP ortadi. Bunda NADH va FADH2 oksidlanish tezligi ortadi va so'rilgan kislorod miqdori ham ortadi, lekin energiya issiqlik shaklida ajralib chiqadi va P/O nisbati keskin kamayadi. Qoida tariqasida, uncouplers membrananing lipid qatlamidan osongina o'tadigan lipofil moddalardir. Bu moddalardan biri 2,4-dinitrofenol (6-17-rasm) bo'lib, u ionlangan holatdan ionlanmagan shaklga oson o'tadi, membranalararo bo'shliqda protonni biriktiradi va uni matritsaga o'tkazadi.

Ayrim dorilarga misol bo'lishi mumkin, masalan, dikumarol - antikoagulyant (14-bo'limga qarang) yoki organizmda hosil bo'lgan metabolitlar, bilirubin - katabolizm mahsuloti (13-bo'limga qarang), tiroksin - qalqonsimon bez gormoni (bo'limga qarang). 11). Bu moddalarning barchasi faqat yuqori konsentratsiyalarda ajralish ta'sirini ko'rsatadi.

ADP yoki noorganik fosfatning kamayishi bilan fosforlanishni to'xtatish nafas olishni inhibe qilish bilan birga keladi (nafas olishni nazorat qilish effekti). Mitoxondriyal membranaga zarar etkazuvchi ko'plab ta'sirlar oksidlanish va fosforlanish o'rtasidagi bog'lanishni buzadi, bu esa ATP sintezi bo'lmagan taqdirda ham elektron o'tkazilishiga imkon beradi (ajratish effekti)

1. Jami ishlab chiqarish:

1 ta ATP molekulasini sintez qilish uchun 3 ta proton kerak bo'ladi.

2. Oksidlanishli fosforlanishning ingibitorlari:

Inhibitorlar V kompleksini bloklaydi:

Oligomisin - ATP sintazasining proton kanallarini bloklaydi.

Atraktilozid, siklofilin - translokazlarni bloklaydi.

3. Oksidlanishli fosforlanishni ajratuvchilar:

Ajratuvchilar - bu lipofil moddalar bo'lib, ular protonlarni qabul qilish va ularni mitoxondriyaning ichki membranasi orqali V kompleksini (uning proton kanalini) chetlab o'tishga qodir. Ajratgichlar:

Tabiiy - lipid peroksidatsiyasining mahsulotlari, uzun zanjirli yog 'kislotalari; tiroid gormonlarining katta dozalari.

Sun'iy - dinitrofenol, efir, K vitamini hosilalari, anestetiklar.