Комплексы дыхательной цепи. Дыхательная цепь включает множество белков-переносчиков Редокс потенциал дыхательной цепи

Всего цепь переноса электронов (англ. electron transport chain ) включает в себя разнообразные белки, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.

Строение ферментативных комплексов
дыхательной цепи

1 комплекс. НАДН-КоQ-оксидоредуктаза

Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН-дегидрогеназа , содержит ФМН, 42 белковых молекулы, из них не менее 6 железосерных белков.

Функция

1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).

Железосерные белки (FeS-белки) – это белки содержащие атомы железа, которые соединены с атомами серы и с серой остатков цистеина. В результате образуется железо-серный центр.

2 комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы

Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. К нему относятся ФАД-зависимые ферменты , расположенные на внутренней мембране – например, ацил-SКоА-дегидрогеназа (β-окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночный механизм переноса атомов водорода).

Функция

1. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.
2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q (убихинон ).

3 комплекс. КоQ-цитохром c -оксидоредуктаза

По другому данный комплекс называется цитохром с редуктаза. В его составе имеются молекулы цитохрома b и цитохрома c 1 , железо-серные белки. Комплекс представляет собой 2 мономера, в каждом из которых насчитывается 11 полипептидных цепей.

Функция

1. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с .
2. Переносит 2 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Имеются разногласия по поводу количества переносимых ионов H + при участии 3-го и 4-го комплексов. По одним данным, третий комплекс переносит 2 иона H + и четвертый комплекс переносит 4 иона H + . По другим авторам, наоборот, третий комплекс переносит 4 иона H+ и четвертый комплекс переносит 2 иона H+ .

4 комплекс. Цитохром с-кислород-оксидоредуктаза

В этом комплексе находятся цитохромы а и а 3 , он называется также цитохромоксидаза , состоит из 13 субъединиц. В комплексе имеются ионы меди , соединенные с белками комплекса через HS-группы цистеина, и формирующие центры, подобные тем, что имеются в железо-серных белках.

Функция

1. Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.
2. Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

5 комплекс

Пятый комплекс – это фермент АТФ-синтаза , состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы:

• одна группа формирует субъединицу F o (произносится со звуком "о", а не "ноль" т.к олигомицин-чувствительная) – ее функция каналообразующая , по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс.
• другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая , именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.

Механизм работы АТФ-синтазы получил название

14.1.1. В пируватдегидрогеназной реакции и в цикле Кребса происходит дегидрирование (окисление) субстратов (пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результате этих реакций образуются НАДН и ФАДН2 . Эти восстановленные формы коферментов окисляются в митохондриальной дыхательной цепи. Окисление НАДН и ФАДН2 , протекающее сопряжённо с синтезом АТФ из АДФ и Н3 РО4 называется окислительным фосфорилированием .

Схема строения митохондрии показана на рисунке 14.1. Митохондрии представляют собой внутриклеточные органеллы, имеющие две мембраны: наружную (1) и внутреннюю (2). Внутренняя митохондриальная мембрана образует многочисленные складки - кристы (3). Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, носит название матрикс (4), пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами, - межмембранное пространство (5).

Рисунок 14.1. Схема строения митохондрии.

14.1.2. Дыхательная цепь - последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду - конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи - внутренняя митохондриальная мембрана.

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2. Ферментные комплексы дыхательной цепи (обозначены участки сопряжения окисления и фосфорилирования):

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки). III. KoQН2 -цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1 , железосерные белки). IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3 , ионы меди Cu2+ ).

14.1.3. В качестве промежуточных переносчиков электронов выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

Убихинон (KoQ) - жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q - перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III).

Цитохром с - сложный белок, хромопротеин, простетическая группа которого - гем - содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в восстановленной форме). Цитохром с является водорастворимым соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с - перенос электронов в дыхательной цепи от комплекса III к комплексу IV.

14.1.4. Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны - молекулярный кислород.

На рисунке 14.3 представлено строение реакционноспособного участка некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и их взаимопревращение.

Рисунок 14.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов.

14.1.5. Механизм синтеза АТФ описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя - отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+ ). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 14.4).

Рисунок 14.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий.

Протоны, выведенные в межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+ -зависимой АТФ-синтетазой (Н+ -АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 10.4): водорастворимой каталитической части (F1 ) и погружённого в мембрану протонного канала (F0 ). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ.

14.1.6. Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме для обеспечения разнообразных биохимических и физиологических процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических веществ из более простых (реакции анаболизма); 2) сокращение мышц (механическая работа); 3) образование трансмембранных биопотенциалов; 4) активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Строение дыхательной цепи (ДЦ), комплексы, ингибиторы. Механизм работы. Пункты сопряжения, величина ОВП компонентов ДЦ. Коэффициент Р/О, его значение.

Поэтапное «контролируемое сгорание» достигается путём промежуточного включения дыхательных ферментов, обладающих различным редокс-потенциалом. Редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) определяет направление переноса протонов и электронов ферментами дыхательной цепи (рис.1).

Редокс-потенциал выражается значением электродвижущей силы (в вольтах ), которая возникает в растворе между окислителем и восстановителем, присутствующих в концентрации 1,0 моль/л при 25˚ С (при рН=7,0 оба находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя). При рН=7,0 редокс-потенциал системы Н 2 /2Н + +2ē равен – 0,42 v. Знак – означает, что данная редокс-пара легко отдаёт электроны, т.е. играет роль восстановителя, знак + указывает на способность редокс-пары принимать электроны, т.е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАДН∙Н + / НАД + равен – 0,32 v, что говорит о высокой её способности отдавать электроны, а окислительно-восстановительная пара ½О 2 /Н 2 О имеет наибольшую положительную величину +0,81 v, т.е. кислород обладает наивысшей способностью принимать электроны.

В процессе окисления АцКоА в ЦТК, восстановленные формы НАДН2 и ФАДН2 поступают в ДЦ, где энергия электронов и протонов трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ДЦ - совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электороны и протоны с субстрата на кислород.

Принципы функционирования ДЦ основаны на 1-ом и 2-ом законах термодинамики.

Движущей силой ДЦ является разность ОВП. Суммарная разность всей ДЦ составляет 1,1 В. Пункты фосфорилирования должны иметь перепад ОВП = 0,25 - 0,3 В.

1. Пара НАД-Н имеет ОВП = 0,32 В.

2. Пара Q-b - / - /- - 0 В.

3. O2 - имеет +0,82 В.

ДЦ локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет 2 пути введения электронов и протонов или 2 входа; ДЦ образует 4 комплекса.

1 вход: НАД-зависимый (поступают электроны и протоны со всех НАД-зависимых реакций).

2 вход: ФАД-зависимый

НАД ---->ФП

Q --->b--->c 1 --->c--->aa 3 ---->1/2O 2

Янтарная кислота ---->ФП

Дыхательная цепь – форма реализации биологического окисления .

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих во внутренней митохондриальной мембране с участием ферментов дыхательной цепи. Дыхательная цепь имеет чёткую структурную организацию, её компоненты формируют дыхательные комплексы , порядок расположения которых зависит от величины их редокс-потенциала (рис.5.1). Количество дыхательных цепей в отдельно взятой митохондрии из клеток разных тканей неодинаково: в печени – 5000, в сердце – около 20 000, следовательно, миокардиоциты отличаются более интенсивным дыханием, чем гепатоциты.

Поступают в дыхательную цепь, где проходят через ряд этапов, опускаясь постепенно на все более низкие энергетические уровни, и акцептируются соединением, служащим конечным акцептором электронов. Перенос электронов приводит к значительному изменению свободной энергии в системе. В наиболее совершенном виде и единообразии дыхательная цепь предстает у эукариот , где она локализована во внутренней мембране митохондрий . У эубактерий дыхательные цепи поражают разнообразием своей конкретной организации при сохранении принципиального сходства в строении и функционировании.

Дыхательные электронтранспортные цепи состоят из большого числа локализованных в мембране переносчиков, с помощью которых электроны передаются или вместе с протонами, т.е. виде атомов водорода, или без них. Компонентами цепи, локализованными в мембране, являются переносчики белковой ( флавопротеины , FeS-белки , цитохромы) или небелковой ( хиноны) природы. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы - электронов.

При изучении дыхательных цепей особенно интересны два связанных с мембраной флавопротеина : сукцинатдегидрогеназа, катализирующая окисление сукцината в ЦТК , и НАД(Ф)*Н2-дегидрогеназа, катализирующая восстановление своей флавиновой простетической группы, сопряженное с окислением НАД(Ф)*Н2.

Участие в дыхательном электронном транспорте принимают белки, содержащие железосероцентры ( рис. 58). Они входят в состав некоторых флавопротеинов, например сукцинат и НАД(Ф)*Н2-дегидрогеназ, или же служат в качестве единственных простетических групп белков . Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров . В митохондриальной электронтранспортной цепи функционирует, вероятно, около дюжины таких белков. В зависимости от строения FeS-центры могут осуществлять одновременный перенос 1 или 2 электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.

Хиноны - жирорастворимые соединения, имеющие длинный терпеноидный "хвост", связанный с хиноидным ядром, способным к обратимому окислению - восстановлению путем присоединения 2 атомов водорода ( рис. 93 , В). Наиболее распространен убихинон , функционирующий в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами . В отличие от остальных электронных переносчиков хиноны не связаны со специфическими белками. Небольшой фонд убихинона растворен в липидной фазе мембран.

Цитохромы , принимающие участие на заключительном этапе цепи переноса электронов, представляют собой группу белков, содержащих железопорфириновые простетические группы ( гемы). С помощью цитохромов осуществляется перенос электронов, в процессе которого меняется валентность железа:

Fe++ переходит обратимо в Fe+++ + e

В митохондриях обнаружено пять цитохромов (b, с, с1, а, а3), различающихся между собой спектрами поглощения и окислительно- восстановительными потенциалами. Различия по этим параметрам обусловлены белковыми компонентами цитохромов, природой боковых цепей их порфиринов и способом присоединения гема к белкам. Конечные цитохромы (а+а3) передают электроны на молекулярный кислород, представляя собой собственно цитохромоксидазу, в реакционном центре которой содержатся помимо двух гемов два атома меди. Образование воды имеет место при переносе на молекулу кислорода 4 электронов. Некоторые цитохромоксидазы осуществляют перенос на О2 только 2 электронов, следствием чего является возникновение перекиси водорода . Перекись водорода далее разрушается каталазой или пероксидазой.

Таким образом, дыхательная цепь переноса электронов в митохондриях состоит из большого числа промежуточных переносчиков, осуществляющих электронный транспорт с органических субстратов на О2. Последовательность их расположения, представленная на рис. 94 , подтверждается различного рода данными: значениями окислительно- восстановительных потенциалов переносчиков, ингибиторным анализом.

Обнаружены ингибиторы, специфически действующие на определенные участки дыхательной цепи. Амитал и ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)*Н2- дегидрогеназу. Антимицин A (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому с1. Цианид , окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов а+а3 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.

Какие формы организации дыхательной цепи обнаружены у эубактерий, т.е. на определенных подступах к ее окончательному формированию? Группы первично анаэробных хемогетеротрофов не имеют развитой системы связанного с мембранами электронного транспорта. Полностью сформированной системой дыхательного электронного транспорта обладают фотосинтезирующие эубактерии.

В короткой дыхательной цепи окисляется субстрат, для которых первичным акцептором электронов является флапротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Вещества короткой цепи: янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат).

Первая реакция окисления:

В последующем ФАДН 2 при участии (FeS*) + КоQ, окисляется:

Восстановленный КоQ как и в длиной дыхательной цепи системой цитохромов:

Эти дыхательные цепи могут быть разделены на структурно-функциональные форагменты, которые называются окислительные комплексы. В длинной цепи выделяют 3 комплекса, а в короткой 2.

1. Располагается между НАДН 2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS комплекс.

2. КоQН 2 -ДГ (цитохром С-редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeS, белки, цС 1

3. Цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цаа 3

4. Сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS, сукцинатДГ

Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определенными веществами – ингибиторами.

Первый комплекс – амитал, барбитураты, ротенол

Второй комплекс – малонат

Третий комплекс – антимицин А

Четвертый комплекс – Н 2 S, цианиды, СО

Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированность протекания реакций образования и реакций использования энергии.

Реакции идущие с высвобождением энергии называется экзоргиническими реакциями с поглощением эндорганическими. Основным экзорганическим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Начальные компоненты НАД окисленный, НАД восстановленный:

Поэтому в ЦПЭ происходит перемещение электронов с большой энергией, в процессе транспорта электронов энергия высвобождается. Та энергия которая может быть использована на выполнение какой-то работы – свободная энергия . В дыхательной цепи энергия рассчитывается.

ΔF = -23*n*Δе ,

где n- количество переносимых электронов на атом О 2 (2е), Δе – перепад ОВП между началом и концом ЦПЭ.

Δе = 0,82 –(-0,32)=1,14В

ΔF = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль

Эта энергия может быть использована организмом на выполнение различных процессов:

• Механических – сокращение мышц
• Химических – на синтез новых веществ
• Осмотических – перенос ионов против градиента концентрации
• Электрических – возникновение потенциалов в нервной системе

Все организмы в зависимости от энергии, которую они используют делят на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемовары – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.

Макроэргические вещества – вещества при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицеринфосфат, ацилы жирных кислот, АТФ (ГТФ, ЦТФ, УЦФ). Среди перечисленных макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекулярном АТФ заключена энергия на 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) и до 12 ккал/моль в физиологических условиях. Состав АТФ: аденил-рибоза-Н 3 РО 4 - Н 3 РО 4 -Н 3 РО 4 . Синтезируется АТФ из АДФ. Распад АТФ является экзоорганическим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи. Присоединение Н 3 РО 4 называется – фосфолирироваием.

Окислительное фосфолирирование

Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 , за счет энергии транспорта по ЦПЭ. Процессы окисления дыхательной цепи и синтеза АТФ тесно сопряжены. При этом ведущим процессом является транспорт электронов, сопутствующим является фосфолирирование. Участки дыхательной цепи на которых происходит синтез АТФ называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (1, 3, 4 – окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (3,4). Если вещество окисляется в дыхательной цепи, то максимум синтезируются три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования. Он показывает сколько молекул Н 3 РО 4 присоединяется к АДФ при переносе двух электронов на один атом кислорода то есть сколько синтезируется молекул АТФ на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент = 3 для короткой 2.

Механизм окислительного фосфолирирования.

Впервые в тридцатые годы акт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком Энгельгардтом. Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфолирирования стала хемоосмотическая теория Митчелла. Согласно ей при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует освободившийся при переносе электрона энергию. В последствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано непроницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н + из матрикса в межмембранное пространство. Переносится 6 – 10 Н+.