Обмен веществ

Синтез АТФ из АДФ и  Н₃РО₄ за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительным фосфорилированием:

Хемиосмотическое сопряжение.

В начале 60 –х годов ХХ века П. Митчелл постулировал несколько  важных идей

1. Энергия, высвобождаемая при окислении метаболита, содержится в митохондрии в виде  восстанавливающих эквивалентов (-Н, е^-), которые направляются в дыхательную цепь. Здесь электроны проходят но редокс - градиенту переносчиков электронов к своей последней реакции с молекулярным кислородом, в ходе которой образуется вода

2.Комплексы редокс-переносчиков сгруппированы на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, высвобождаемая при переносе  электронов на различные ступени редокс-градиента, используется для выкачивания протонов из матрикса и образования электронов и образования электрохимического потенциала на внутренней митохондриальной мембране.

3. Митохондриальная АТР- синтаза переносит протоны через мембрану. При наличии электрохимического протонного градиента протоны будут двигаться из межмембранного пространства назад в матрикс, при том образуется  АТР из ADP

Общая характеристика этапов хемиосмотического процесса

Этот хемиосмотический процесс сопрягает энергию окисления метаболитов с производством АТР на внутренней митохондриалыюй мембране. Энергия, которая получается в результате окисления пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к образованию NADH и FADH₂ из NAD⁺ и FAD, накапливается в виде электронов или восстанавливающих эквивалентов.

Эти электроны в конце концов соединяются с кислородом для производства АТР в процессе окислительного фосфорилирования.

Когда электроны, запасенные в форме NADH и FADH₂, высвобождаются, они транспортируются по дыхательной цепи, расположенной на внутренней митохондриальной мембране.

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, a - кетоглутарат, малат, а также пируват и глутамат.

Во втором случае сукцинат, ацил-КоА и a - 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 DmH+. 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 Dm_H⁺. 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.