Тема: мітохондріального дихального ЦЕПЬ. окисного фосфорилювання
1. Структура мітохондріального дихального ланцюга, послідовність перенесення протонів і електронів. Формули акцепторів водню: НАД, ФАД, КоQ. Роль кисню в ланцюзі перенесення електронів.
2. Ферментні комплекси дихального ланцюга - склад, функції. Трансмембранний потенціал, його утворення та використання. Роль внутрішньої мітохондріальної мембрани.
3. Поняття про окисного фосфорилювання. Коефіцієнт фосфорилювання (визначення поняття, приклад розрахунку). Роль АТФ-синтетази. Основні напрямки використання АТФ в клітині. Формула АТФ.
4. Енергетичний баланс (вихід АТФ) окислення активного ацетату (ацетил-КоА) і пірувату.
5. Нефосфорілірующее або вільне окислення субстратів - біологічна роль. Роз'єднання окислення і фосфорилювання в мітохондріях.
6. Речовини, що впливають на процеси окисного фосфорилювання в мітохондріях: інгібітори дихання, протонофори, іонофори.
Дихальна ланцюг і окисне фосфорилювання.
14.1.1. У піруватдегідрогеназного реакції і в циклі Кребса відбувається дегидрирование (окислення) субстратів (піруват, ізоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результаті цих реакцій утворюються НАДН і ФАДН 2. Ці відновлені форми коферментів окислюються в мітохондріального дихального ланцюга. Окислення НАДН і ФАДН 2. протікає поєднане з синтезом АТФ з АДФ і Н 3 РО 4 називається окислювальним фосфорилюванням.
Схема будови мітохондрії показана на малюнку 14.1. Мітохондрії являють собою внутрішньоклітинні органели, які мають дві мембрани: зовнішню (1) і внутрішню (2). Внутрішня мітохондріальна мембрана утворює численні складки - Крісті (3). Простір, обмежений внутрішній мітохондріальної мембраною, носить назву матрикс (4), простір, обмежений зовнішньою і внутрішньою мембранами, - межмембранное простір (5).
Малюнок 14.1. Схема будови мітохондрії.
14.1.2. Дихальна ланцюг - послідовний ланцюг ферментів, що здійснює перенесення іонів водню і електронів від окислюваних субстратів до молекулярного кисню - кінцевого акцептору водню. В ході цих реакцій виділення енергії відбувається поступово, невеликими порціями, і вона може бути акумульована в формі АТФ. Локалізація ферментів дихального ланцюга - внутрішня мітохондріальна мембрана.
Дихальна ланцюг включає чотири мультиферментних комплексу (рисунок 14.2).
Малюнок 14.2. Ферментні комплекси дихального ланцюга (позначені ділянки сполучення окислення і фосфорилювання):
I. НАДН-KoQ-редуктаза (містить проміжні акцептори водню: флавинмононуклеотид і железосерние білки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (містить проміжні акцептори водню: ФАД і железосерние білки). III. KoQН 2 -цітохром з-редуктаза (містить акцептори електронів: цитохроми b і з 1. железосерние білки). IV. Цитохром з-оксидаза (містить акцептори електронів: цитохроми а й а 3. іони міді Cu 2).
14.1.3. Як проміжних переносників електронів виступають убихинон (коензим Q) і цитохром с.
Убіхінон (KoQ) - жирорастворимое вітаміноподібні речовини, здатний легко дифундувати в гідрофобною фазі внутрішньої мембрани мітохондрій. Біологічна роль коензиму Q - перенесення електронів в дихальної ланцюга від флавопротеїнів (комплекси I і II) до цитохромам (комплекс III).
Цитохром с - складний білок, хромопротеїни, простетичної група якого - гем - містить залізо зі змінною валентністю (Fe 3+ в окисленої формі і Fe 2+ у відновленій формі). Цитохром з є водорозчинним з'єднанням і розташовується на периферії внутрішньої мітохондріальної мембрани в гидрофильной фазі. Біологічна роль цитохрому с - перенесення електронів в дихальної ланцюга від комплексу III до комплексу IV.
14.1.4. Проміжні переносники електронів в дихальної ланцюга розташовані відповідно до їх окислювально-відновні потенціали. У цій послідовності здатність віддавати електрони (окислюватися) убуває, а здатність приєднувати електрони (відновлюватися) зростає. Найбільшою здатності віддавати електрони володіє НАДН, найбільшою здатністю приєднувати електрони - молекулярний кисень.
На малюнку 14.3 представлена будова реакційноздатного ділянки деяких проміжних переносників протонів і електронів в окисленої і відновленої формі і їх взаємоперетворення.
Малюнок 14.3. Взаємоперетворення окислених і відновлених форм проміжних переносників електронів і протонів.
Малюнок 14.4. Розташування ферментів дихального ланцюга і АТФ-синтетази у внутрішній мембрані мітохондрій.
Протони, виведені в межмембранное простір за рахунок енергії перенесення електронів, знову переходять в мітохондріальний матрикс. Цей процес здійснюється ферментом Н + залежної АТФ-синтетазой (Н + -АТФ-азой). Фермент складається з двох частин (див. Рисунок 10.4): водорастворимой каталітичної частини (F 1) і зануреного в мембрану протонного каналу (F 0). Перехід іонів Н + з області з більш високою в область з більш низькою їх концентрацією супроводжується виділенням вільної енергії, за рахунок якої синтезується АТФ.
14.1.6. Енергія, акумульована в формі АТФ, використовується в організмі для забезпечення різноманітних біохімічних і фізіологічних процесів. Запам'ятайте основні приклади використання енергії АТФ:
1) синтез складних хімічних речовин з простіших (реакції анаболізму); 2) скорочення м'язів (механічна робота); 3) освіту трансмембранних биопотенциалов; 4) активний транспорт речовин через біологічні мембрани.
14.2.1.Степень спряженості окислення і фосфорилювання в мітохондріях характеризує коефіцієнт фосфорилювання (Р / О). Він дорівнює відношенню кількості молекул неорганічного фосфату (Н 3 Р О 4), який перейшов в АТФ, до кількості атомів спожитого кисню (О 2).
Наприклад, якщо донором водню для дихального ланцюга є молекула НАДН. то електрони від донора (НАДН) до акцептору (кисень) проходять 3 ділянки сполучення окислення і фосфорилювання (I, III і IV ферментні комплекси дихального ланцюга). Таким чином, максимально може утворитися 3 молекули АТФ (3 АДФ + 3 Н 3 РО 4 → 3 АТФ). Витрачається 1 атом кисню (2 Н + О → Н 2 О). Значення коефіцієнта Р / О = 3/1 = 3.
Якщо донором водню буде молекула ФАДН 2. то електрони в дихальної ланцюга проходять 2 ділянки сполучення окислення і фосфорилювання (III і IV ферментні комплекси дихального ланцюга). Таким чином, максимально може утворитися 2 молекули АТФ (2 АДФ + 2 Н 3 РО 4 → 2 АТФ). Витрачається, як і в попередньому випадку, 1 атом кисню (2 Н + О → Н 2 О). Значення коефіцієнта Р / О = 2/1 = 2.
14.2.2. Більш складний приклад розрахунку коефіцієнта фосфорилювання - при окисленні пірувату до кінцевих продуктів - показаний на малюнку 14.5. У цьому метаболічному шляху відбувається дегидрирование 4 субстратів (пірувату, ізоцитрату, α-кетоглутарата і малата) з утворенням НАДН і одного субстрату (сукцината) з утворенням ФАДН 2. Відновлені коферменти окислюються в дихальної ланцюга, і в сполучених реакціях фосфорилювання утворюється (4 × 3 АТФ + 1 × 2 АТФ) = 14 молекул АТФ. Ще 1 молекула АТФ (ГТФ) утворюється в реакції субстратного фосфорилювання на рівні сукцинил-КоА. Таким чином, при повному окисленні 1 молекули пірувату утворюється 15 молекул АТФ (з них 14 - шляхом окисного фосфорилювання).
Щоб розрахувати кількість спожитого кисню, потрібно знати число реакцій дегідрування на даній ділянці метаболічного шляху. Для окислення кожної відновленої форми коферменту необхідний 1 атом кисню (див. Вище). Отже, в нашому прикладі споживається 5 атомів кисню. Значення коефіцієнта Р / О дорівнюватиме 14/5 = 2,8.
Малюнок 14.5. Розрахунок енергетичного балансу реакцій окислювального декарбоксилювання пірувату і циклу Кребса.
Роз'єднання дихання і фосфорилювання.
14.3.1. Перенесення електронів в дихальної ланцюга не у всіх випадках протікає поєднане з фосфорилюванням АДФ. Стан, при якому окислення субстратів у дихальному ланцюзі відбувається, але АТФ при цьому не утворюється, називається вільним (нефосфорілірующім) окисленням. Енергія, що виділяється при окисленні, розсіюється у вигляді теплоти.
Роз'єднання процесів окислення і фосфорилювання в мітохондріях може мати місце при деяких патологічних станах. Основними симптомами таких станів можуть бути швидка стомлюваність, підвищена температура тіла, зниження маси тіла, незважаючи на підвищений апетит, почастішання дихання і серцебиття.
14.3.2. Роз'єднання процесів окислення і фосфорилювання може бути викликано дією ряду речовин, як природних, так і синтетичних. Механізм дії цих речовин полягає в тому, що вони є переносниками протонів через мембрану. Речовини, що роз'єднують окислювання і фосфорилювання, можна розділити на протонофори і іонофори.
Протонофори представляють собою слабкі гідрофобні органічні кислоти, які в формі аніона (R-COO -) пов'язують протони в межмембранном просторі, дифундують через мембрану і диссоциируют в матриксі з утворенням протонів. До цієї групи належать, наприклад, вільні жирні кислоти, гормони щитовидної залози, саліцилати, дикумарол, 2,4-динитрофенол (див. Рисунок 14.6).
Малюнок 14.6. Механізм дії 2,4-динитрофенола.
Іонофори (валиномицин, нігеріцін, граміцидин) здатні вбудовуватися в мембрану, утворюючи канал, по якому можуть переміщатися протони і інші одновалентні катіони - Na + або K + (рисунок 14.7). В результаті знімається протонний потенціал і порушується синтез АТФ.
Малюнок 14.7. Валиномицин полегшує проникнення в клітину іонів Н +.