Материал: Biokhimia_v_risunkakh
мембрана
Глицерол-3-фосфат
Q
I |
Fe-S |
|
II |
||
|
||
НАДН НАД+ |
||
|
сукцинат |
|
SH2 |
матрикс |
|
изоцитрат |
митохондрии |
|
пируват |
||
|
||
малат |
|
|
глутамат |
|
|
и др. |
ацил-КоА |
|
Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа –
флавопротеин, содержащий |
ФМН. Этот |
||
фермент окисляет |
НАДН и передает два |
||
водорода (2Н+2е-) на коэнзим |
Q. В комплекс |
||
входят также Fe-S-белки. |
|
||
Комплекс |
II – сукцинатдегидрогеназа – |
||
флавопротеин, содержащий |
ФАД. Этот |
||
фермент окисляет сукцинат и передает два |
|||
водорода (2Н+2е-) |
на коэнзим Q. В составе |
||
комплекса есть Fe-S-белки. |
|
||
В матриксе митохондрий находятся также |
|||
другие |
ФАД-зависимые дегидрогеназы, |
||
которые окисляют соответствующие субстраты (глицерол-3-фосфат, ацил-КоА) и передают далее водороды на коэнзим Q.
Потоки атомов водорода сливаются на стадии образования восстановленного КоQН2.
Коэнзим Q является последним компонентом цепи, который способен транспортировать как протоны, так и электроны ( 2Н+2е-). Далее протоны ( 2Н+) переходят с внутренней поверхности мембраны митохондрий на внешнюю, а электроны е- через цепь цитохромов переносятся на кислород.
Межмембранное
пространство
НАДНН НАД+ |
|
фумарат |
½ О2+2Н Н2О |
|
сукцинат |
|
|||
|
|
|
|
матрикс |
|
|
|
|
|
Комплекс III – убихинондегидрогеназа – ферментный комплекс, состоящий из цитохрома b, Fe-S-белка и цитохрома с1. Этот комплекс транспортирует электроны
2е- от восстановленного убихинона КоQН на цитохром |
с (небольшой по размерам |
||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
водорастворимый белок, находится на внешней стороне внутренней мембраны). |
|
||||||||
Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментный комплекс, |
|
|
|
|
|||||
состоящий из цитохромов а и а3. Эти ферменты осуществляют |
|
|
|
|
|||||
2е + ½ О |
|
|
О2- |
||||||
последнюю стадию биологического окисления |
– |
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
восстановление электронами 2е- молекулярного кислорода: |
|
|
|
|
|
||||
Восстановленный кислород О 2- взаимодействует со свободными протонами |
2Н+ |
||||||||
матрикса, в результате чего образуется вода: |
|
|
|
|
|
|
|
||
40 |
2Н+ + О2- |
|
Н О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Комплекс I |
|
|
Q |
Комплекс III |
|
|
|
|
|
Комплекс IV |
|
|
|
||
ФМН FeS |
|
|
b FeS c1 |
|
|
с |
|
|
a a3 |
|
|
1/2О2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
НАД+ |
|
|
|
|
Комплекс II |
2Н |
||
ФАД FeS |
|||
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н2О |
|
SH2 |
|
SH2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Направление переноса протонов и электронов определяют окислительно- |
члены |
|||||||||
восстановительные потенциалы. Д ля обеспечения спонтанного переноса |
||||||||||
окислительно-восстановительного ряда |
должны располагаться в порядке |
|||||||||
возрастания потенциалов. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Редокс-потенциал пары |
НАД+/НАДН = -0,32 в , что |
|||
-0,32 |
|
|
|
|
|
говорит о высокой способности отдавать электроны. |
||||
|
|
|
|
|
Редокс потенциал пары |
кислород/вода = |
+0,82 в , |
|||
|
|
|
|
|
|
что говорит о высоком сродстве к электронам. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Общая разность редокс-потенциалов равна |
1,14 в , |
|||
|
|
|
|
|
|
этому соответствует изменение свободной энергии |
||||
|
|
|
|
|
|
G = -220 кДж/моль. Эта общая величина энергии |
||||
|
|
|
|
|
|
реакции разбивается на небольшие и более |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
удобные |
«пакеты», величина которых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
определяется разностью окислительно- |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
восстановительных потенциалов соответствующих |
||||
|
|
|
|
|
|
промежуточных продуктов. Предполагается, что |
||||
+0,82 |
|
|
|
|
|
это разделение на пакеты обеспечивает |
|
|
||
дыхательной цепи удивительно высокий выход энергии, составляющий примерно 60%.
О2 
Дыхательная цепь митохондрий 
Н2О
тепло |
энергия |
АДФ + Ф |
АТФ |
|
При прохождении по ЦПЭ пары электронов выделяется |
энергия, большая |
часть которой (60%) рассеивается в виде тепла, а остальная аккумулируется |
|
в макроэргических связях АТФ, т.е. поглощается в ходе |
реакции синтеза |
АТФ, т.е. окислительного фосфорилирования. |
41 |
Это фосфорилирование называется окислительным, т.к. энергия для образования макроэргической связи генерируется в процессе окисления, т.е. движения протонов и электронов по ЦПЭ.
VI. Механизм окислительного фосфорилирования
|
Н+ |
Н+ |
|
Н+ |
цит.с |
||
|
|||
|
|
межмембранное
пространство
|
|
|
|
фумарат |
|
½ О2+2Н+ |
Н2О |
|
|
||||||
|
|
сукцинат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
НАДНН НАД+ |
|
|
|
|
АДФ+Ф |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
||
|
матрикс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
синтез АТФ |
|
|
|
|
|
Н+ |
||||
химический |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
потенциал рН |
|
|
электрохимический |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
потенциал ΔµН+ |
|
|
|
|
АТФ-синтаза |
|
|||||
Основные переносчики электронов – комплексы I, III, |
IV – используя энергию |
||||||||||||||
электронов, обеспечивают перенос протонов |
Н+ из матрикса в межмембранное |
||||||||||||||
пространство. В результате понижается значение |
|
|
рН и возникает протонный |
||||||||||||
электрохимический потенциал ΔµН+ (хемиосмотическая теория П.Митчелла ).
Именно этот потенциал является движущей силой |
синтеза АТФ из АДФ и Ф. |
|
Синтез АТФ сопряжен с обратным потоком протонов |
Н+ из межмембранного |
|
пространства в матрикс. Внутренняя мембрана митохондрий для этого потока |
||
непроницаема. Осуществляется обратный поток протонов благодаря специальной |
||
ферментной системе, называемой протонная |
АТФ-аза или АТФ-синтаза (комплекс |
|
V). При достижении определенного значения |
ΔµН+ активируется АТФ-аза, в ней |
|
открывается канал, через который протоны возвращаются в матрикс из |
||
межмембранного пространства, а энергия |
ΔµН+ |
используется для синтеза АТФ. |
42 |
|
|
Каждый из трех комплексов ( |
|
I, III, |
IV) обеспечивает протонный градиент, |
|||||||||||||||||||||||
необходимый для активации АТФ-синтазы и синтеза 1 молекулы АТФ. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
АТ |
|
|
|
|
|
|
АТ |
|
|
|
|
|
АТ |
|||||||||
АДФ + Ф |
|
Ф |
|
|
АДФ + Ф |
|
Ф |
|
АДФ + Ф |
|
Ф |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Комплекс I |
|
|
|
|
Q |
|
|
Комплекс III |
|
|
|
Комплекс IV |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ФМН FeS |
|
|
|
|
|
b FeS |
c1 |
|
|
|
с |
|
|
a a3 |
|
|
|
О2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Комплекс II |
Коэффициент окислительного |
|
|||
|
НАД+ |
ФАД |
FeS |
|
|||
|
|
|
|
фосфорилирования |
P/O – отношение |
||
SH2 |
(P/O = 3) |
|
|
количества фосфорной кислоты |
(Р), |
||
|
|
использованной на фосфорилирование, |
|||||
пируват |
|
|
к поглощенному кислороду (О). |
|
|||
α-кетоглутарат |
|
|
|
||||
SH2 |
(P/O=2) |
P/O зависит от точки вхождения |
|
||||
изоцитрат |
H2 |
||||||
|
малат |
сукцинат |
восстановительных эквивалентов |
||||
глутамат |
ацил-КоА |
от субстратов |
SH2 |
в цепь транспорта |
|||
|
лактат |
глицерол-3-фосфат |
электронов. |
|
|
|
|
Субстраты SH2, окисляемые НАД-зависимыми дегидрогеназами (пируват,
α-кетоглутарат, изоцитрат, малат, глутамат, лактат) являются более энергетически ценными, т.к. при их окислении образуется 3 АТФ ( P/O = 3), чем субстраты, окисляемые ФАД-зависимыми дегидрогеназами (сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3- фосфат), при окислении которых образуется 2 моля АТФ (P/O=2).
Все описанные процессы переноса протонов и электронов и синтеза АТФ (тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования) тесно сопряжены: они происходят только одновременно и скорость их меняется одновременно.
Процессы усвоения пищи и образования АТФ должны приспосабливаться к энергетическим потребностям клетки, т.е. производство и потребление АТФ должно быть согласовано.
При увеличении в клетке расходования АТФ повышается скорость поступления АДФ в митохондрии, а значит, растет скорость синтеза АТФ. Поэтому увеличивается скорость переноса протонов, т.е. возрастает скорость дыхания. Такая корреляция, т.е. ускорение окислительного фосфорилирования и дыхания при повышении концентрации АДФ называется дыхательным контролем. Другими словами, дыхательный контроль – это соотношение АТФ/АДФ : при его понижении интенсивность дыхания
увеличивается. |
43 |
В некоторых случаях сопряжение фосфорилирования и дыхания нарушается,
т.е. происходит |
«неконтролируемое» |
|
дыхание митохондрий. Это может |
|
|
происходить при |
повреждении мембраны |
|
митохондрий, а также при действии |
||
веществ, функционально разделяющих |
||
окисление и фосфорилирование |
– |
|
разобщающих агентов . Эти липофильные вещества (2,4-динитрофенол, жирные кислоты ) могут переносить протоны через мембрану митохондрий, минуя АТФазу, т.е. уничтожая протонный градиент. Природный разобщающий агент – белок термогенин, который является протонным каналом в митохондриях бурого жира.
При этом Р/О снижается, энергия
рассеивается в виде тепла.
1.Повреждение мембраны
2.Подвижные переносчики
норадреналин
жир ЖК
3.Управляемый протонный канал
термогенин
Ингибиторы электронного транспорта и окислительного фосфорилирования
1. Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь за счет связывания с определенными ферментами или коферментами на разных участках цепи. При этом Р/О снижается до нуля в зависимости от места действия ингибитора:
а) ротенон (инсектицид), барбитураты (снотворные), антибиотик пиерицидин А.
в) антимицин (антибиотик).
с) CN-, CO, H2S.
Ротенон, барбитураты а)
НАДН КоQ цит.b цит.с1 цит.с цит.аа3 О2
в)
антимицин
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДН |
|
КоQ |
|
цит.b |
|
|
|
цит.с1 |
|
цит.с |
|
цит.аа3 |
|
О2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
с)
СN- или СО
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДН |
|
КоQ |
|
цит.b |
|
цит.с1 |
|
цит.с |
|
цит.аа3 |
|
|
О2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2. Ингибиторы окислительного фосфорилирования:
а) олигомицин – антибиотик, ингибирует функцию АТФ-синтазы (не действует на тканевое дыхание).
44