ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.08.2021
Просмотров: 320
Скачиваний: 1
Энергия, высвобождаемая при переходе с одного переносящее комплекса на другой, выкачивает Н+ из матрица через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.
Этот процесс создает на внутренней митохондриальной мембране электрохимический протонный градиент. Теперь концентрация протонов выше в межмембранном пространстве, поэтому протоны перетекают по протонному градиенту (направляемые частично отрицательным зарядом со стороны матрикса) обратно в матрикс. Это приводит в действие мембрано- связанную АТР-синтазу, которая превращает ADP и Рi в АТР.
Цепь транспорта электронов - ЦТЭ
В процессе транспорта электронов от исходного донора электронов SH2 к терминальному акцептору - О2 участвуют промежуточные переносчики. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.
Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD+ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С1, С, А, А3) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы или комплексы.
Комплекс I
|
|
В первый комплекс входят НАДН-дегидрогеназа, FMN и FeS - белки, содержащие негеминовое железо. НАДН- зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD+ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода. Переносчиком водорода является кофермент - FMN. В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем через FeS – белки передается на убихинон. Основная функция – перенос электрона с НАДН на убихинон Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство.
|
Комплекс II
|
|
Во второй комплекс входят FAD - зависимая сукцинатдегидрогеназа и FeS белки. FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Основная функция – перенос электрона, полученных при окислении сукцината в цикле Кребса на убихинон
|
Убихинон
|
|
Кофермент Q или убихинон - небелковый компонент - производное изопрена. Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Основная функция -переносчик электронов на цитохромы.
|
Комплекс III
|
|
QН2-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С1. Также в состав этого комплекса входят FeS – белки. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С.
Основная функция – перенос электронов на цитохром с Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство. |
Цитохром С
Цитохром С - низкомолекулярный гемсодержащий белок, обладающий подвижностью в липидном слое мембраны.
Комплекс IY
|
|
В четвертый комплекс входят цитохромоксидаза, цитохромы а, а3 и двухвалентная медь. Основная функция – перенос электронов от цитохрома с до воды. Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство.
|
Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи приведена на рисунке 7.
|
|
Рис.7. Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи
Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. В первом случае донорами водорода выступают изоцитрат, - кетоглутарат, малат, а также пируват и глутамат.
Во втором случае сукцинат, ацил-КоА и - глицерофосфат. Если процесс начинается с NAD+ , то следующим переносчиком будет FMN.
От FMN протоны и электроны переносятся к коферменту Q. FAD - зависимыме дегидрогеназамы переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. Дальше пути электронов и протонов расходятся.
Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.
В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С1, С, а, а3. Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:
Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С.
Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород.
Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:
В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а3, а затем ион меди цитохрома а3. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а3, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.
Окислительное фосфорилирование
Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования
Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.
|
Сопряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента. Сопряжение общих путей катаболизма с дыхательной цепью показано на рисунках 8а и 8б.
|
В митохондриях на 3 участках окислительной цепи происходит выделение протонов во внешнюю среду (комплексы I, III, IY). Соответственно 3 реакции ведут к образованию H+. Выдвинута гипотеза о механизме переноса Н+. Считается, что он осуществляется путем активного транспорта, который снабжается энергией за счет чередования окислительно-восстановительных циклов. В соответствии с этой гипотезой, при восстановлении переносящего комплекса происходят конформационные изменения, которые активируют протон - связывающий участок, расположенный на матриксной стороне внутренней мембраны. При окислении переносчика его конформация изменяется таким образом, что Навязывающий участок оказывается на противоположной стороне мембраны. В то же время сродство этого участка к протону уменьшается, и протон высвобождается в межмембранное пространство. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности |
Рис. 8а
|
|
Рис. 8б.
Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н+-АТР-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны. При участии фермента АТФ-АДФ транслоказы АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ по типу антипорта.
|
|
АТФ-синтетаза имеет сложное строение и состоит из 2 компонентов: Fо и F1. Fо погружен в липидный бислой, состоит из большого числа субъединиц и предположительно формирует Н+- переносящий канал. F1 осуществляет синтез АТФ.
|
Поскольку синтез молекулы АТФ связан, как минимум, с переносом 2 протонов через АТФ-синтазу, а при окислении НАД(Ф)-H2 молекулярным кислородом, т. е. поступлении 2 электронов на 1/2O2 выделяются 6H+, максимальный выход АТФ в этом .процессе составляет 3 молекулы. При окислении янтарной кислоты, водород которой переносится на сукцинатдегидрогеназу и далее на убихинон, возможны только 2 фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где локализован первый генератор DmH+. Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число функционирующих протонных помп в дыхательной цепи.
Разобщение дыхания и фосфорилирования
Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров. Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал, и синтез АТР становится невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы - тироксин, а также некоторые антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.
Дыхательный контроль
Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.
Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов. Ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)-H2-дегидрогеназу. Антимицин А (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому c1. Цианид, окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов a + a3 на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. Если блокировать перенос электронов в электронтранспортной цепи определенными ингибиторами, то переносчики, находящиеся на участке от субстрата до места действия ингибитора, будут в восстановленной, а переносчики за местом действия ингибитора - в окисленной форме.
Энергетика цитратного цикла и общих путей катаболизма
За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул АТР. Девять из них образуются за счет энергии транспорта в дыхательной цепи трех пар водорода от трех молекул NADH + H+. Две молекулы АТР синтезируются при окислении 1 молекулы FADH2, так как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения с окислительным фосфорилированием ADP. Кроме того, в цитратном цикле образуется 1 моль GTP (АТР).
Синтез ГТФ происходит в реакции, катализируемой сукцинатдегидрогеназой. В этой реакции донором энергии для синтеза макроэрга является молекула субстрата. Такой способ синтеза называется субстратным фосфорилированием.
Субстратное фосфорилирование в отличие от окислительного происходит без участия ЦПЭ и кислорода. Такой способ синтеза АТФ происходит и в некоторых других метаболических путях.
Затем ГТФ может трансформироваться в АТФ при действии нуклеозиддифосфаткиназы: ГТФ+АДФ АТФ+ГДФ.
В общих путях катаболизма синтезируется 15 молекул АТР. Три из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 - в цитратном цикле.
РЕГУЛЯЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА
Синтез АТР в клетке регулируется потребностью в энергии, что достигается согласованной регуляцией скоростей реакций ЦПЭ и ОПК.
Увеличение концентрации ADP ускоряет окисление NADH в ЦПЭ, что приводит к увеличению скорости реакций, катализируемых регуляторными НАД+ - зависимыми ферментами, и к увеличению скорости общего пути катаболизма в целом (рис. 9). Кроме этого, ADP аллостерически активирует регуляторные ферменты ОПК. Такая согласованная регуляция ЦПЭ и ОПК приводит к тому, что вместо использованных молекул АТР синтезируется адекватное количество новых; чем больше использовано АТР, тем больше его синтезируется.
Скорость ОПК регулируется на уровне 4 реакций, катализируемых:
пируватдегидрогеназным комплексом;
цитратсинтазой;
изоцитратдегидрогеназой;
-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.
Регуляцию скорости ОПК осуществляя сколько механизмов:
1. аллостерическая регуляция - каждый регуляторный фермент имеет аллостерические эффекторы, концентрация кои изменяется в зависимости от состояния клетки;
2.увеличение активности фермента при высоких концентрации субстрата (например, пируват наиболее эффективный активатор пируватгидрогеназного комплекса);
3.ингибирование фермента продуктами peaкции: пируватдегидрогеназный комплекс инибируется ацетил-КоА и НАДН, цитратсинтаза - цитратом;
4. фосфорилирование и дефосфорилирование ПДК (рис.9).
Наиболее сложна регуляция ПДК. Реакция, катализируемая ПДК, связывает между co6oй такие метаболические пути, как гликолиз (распад глюкозы), глюконеогенез (синтез глюкозы), синтез жирных кислот, окисление жирных кислот и цикл Кребса. Можно сказать, что реакции, катализируемые ПДК, представляют собой большой биохимический перекресток.