Организация и функционирование дыхательной цепи

• Введение
• Дыхательная цепь

Организация дыхательной цепи в митохондриях Роль дыхательной цепи в улавливании энергии Дыхательный контроль Ингибиторы дыхательной цепи Заключение Список литературы

Введение

Дыхательная цепь — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов.

ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАДН и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного потенциала за счет последовательного переноса электрона по цепи, сопряженного с перекачкой протонов через мембрану.

У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всем протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном и происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами.

Дыхательная цепь Вся полезная энергия, высвобождаемая в процессе окисления жирных кислот и аминокислот, и почти вся энергия окисления углеводов используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Митохондрии содержат несколько катализаторов, образующих дыхательную цепь, которые обеспечивают улавливание и перенос восстановительных эквивалентов, направляя их на реакцию с кислородом, приводящую к образованию воды. Одновременно функционирует механизм улавливания потенциальной свободной энергии с накоплением ее в форме высоко энергетических фосфатов. Митохондрии содержат также ферментные системы, обеспечивающие образование большинства восстановительных эквивалентов; это ферментыокисления и цикла лимонной кислоты (последний является общим метаболическим путем при окислении всех основных пищевых продуктов). Это взаимоотношения показаны на рис 1.1.

Организация дыхательной цепи в митохондриях Главные компоненты дыхательной цепи (рис 1.1) приведены последовательно в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду, изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы NAD/NADHк системе О2/Н2О составляет 1,1 В.

Главная дыхательная цепь начинается от NAD-зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с дыхательной цепью через NAD-зависимые дигидрогеназы; некоторые из них, имеющие относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал (например, система фумарат/сукцинат, связаны с флавопротеиновымидегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи (рис. 1.3).

В последнее время установлено, что в дыхательной цепи имеется еще один переносчик, связывающий флавопротеины с цитохромомb, обладающим самым низким среди нитохромовокислительно-восстановительным потенциалом. Этот переносчик названный убихиноном или коферментом Q (рис 1.4), в аэробных условиях находится в митохондриях в форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях в восстановительной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриальных липидов; среди других липидов преобладают фосфолипиды, являющиеся частью митохондриальной мембраны. Структура кофермента Q сходна со структурой витаминов К и Е. Близкую структуру имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах. Все эти вещества имеют в своей структуре полиизопреноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи; это позволяет предположить, что кофермент Q является подвижным компонентом дыхательной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

Рис. 1.1. Главные источники восстановительных эквивалентов и их связь с митохондриальной дыхательной цепью

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратов дыхательной цепи, является железо-серный блок FeS. Он ассоциирован с флавопротеинами и с цитохромомb. Железо и сера участвуют в оокислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному механизму (рис. 1.5).

Современные представления о последовательности главных компонентов в дыхательной цепи отражены на рис. 1.3. На электроотрицательном конце цепи дегидрогеназы катализируют перенос электронов от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NADучаствеют сложные дегидрогеназные системы, содержащие липоат и FAD. Перенос электронов другими дегидрогеназами, использующими в качестве субстратов L (+)-3-гидроксиацил-СоА, D (-)-3-гидроксибутират, пролин, глутамат, малит, и изоцитрат, происходит прямо на NADдыхательной цепи.

ВосстановленныйNADH в дыхательной цепи в свою очередь окисляется металлофлавопротеиномNADH-дегидрогеназой. Этот фермент содержит FeS и FMNи прочно связан с дыхательной цепью. Кофермент Q служит коллектором восстановительных эквивалентов, которые поставляются рядом субстратов через флавопротеиновыедегидрогеназы в дыхательную цепь. К числу этих субстратов относятся сукцинат, холин, саркозин (рис. 1.3). Флавиновым компонентом этих дегидрогеназ является FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молукелярному кислороду (рис 1.3). Цитохромы выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала.

Рис. 1.2. Транспорт восстановительных эквивалентов дыхательной цепи Рис. 1.3. Компоненты дыхательной цепи митохондрий FeS находится в цепи «на О2-стороне» ФП или Цитb. Цит — цитохром; ЭПФП — электронпереносящий флавопротеин; FeS — железо-серный белок; ФП — флавопротеин; Q — убихинон.

Рис. 1.4. Структура убихинона (Q); п — число изопреноидных звеньев, варьирующее от 6 до 10.

Рис. 1.5. Железо-серный центр железо-серного белка. S — кислотолабильная сера; Pr — апобелок; Cys-остаток цистеина. Некоторые железо-серные белки содержат 2 атома железа и 2 атома серы.

Терминальный цитохром аа3 осуществляет конечную стадию процесса перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Ферментная система содержит медь — непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан О2. Эта катализируемая цитохромоксидазой реакция является не обратимой; она определяет направление движения восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи, с которым сопряжено образование АТП.

В отношении структурной организации дыхательной цепи был выдвинут ряд предположений. Существенно то, что молярные соотношения между компонентами являются почти постоянными. Функционирующие компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннююмитохондриальнуюмембану в виде четырех белково-липидных комплексов дыхательной цепи.

Рис. 1.6. Предполагаемые участки ингибирования дыхательной цепи специфическими лекарственными веществами, химическими реагентами и антибиотиками Указаны участки, где предположительно происходит сопряжение с фосфорилированием. BALдимеркапрол; TTFAхелатообразующий реагент на железо. Комплекс I-NADH; убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II — сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III — убихинол: феррицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV-ферроцитохром с: кислород-оксидоредуктаза.

На этом основании был сделан вывод об определенной пространственной ориентации этих комплексов в мембране. Цитохромсявляется единственным растворимым цитохромом и наряду с коферментом Q служит относительно мобильным компонентом дыхательной цепи, осуществляющим связь между фиксированными в пространстве комплексами (рис. 1.6).

Роль дыхательной цепи в улавливании энергии Молекулой, улавливающей части свободной энергии, высвобождаемой в катаболических процессах, в виде высокоэнергетических фосфатов служит ADP. Образующийся в результате АТР поставляет затем свободную энергию далее для осуществления энергозависимых процессов. Поэтому АТР можно назвать энергетической «валютой» клетки.

За счет гликолиза образуются две высокоэнергетические фосфатные группы, их энергия равна примерно 61 кДж. моль глюкозы. Поскольку при полном сгорании глюкозы выделяется примерно 2780 кДж, доля энергии, улавливаемой в ходе гликолиза путем фосфорилирования, весьма невелика. Реакции цикла лимонной кислоты, которыми завершается процесс полного окисления глюкозы, включает еще одну стадию фосфорилирования, она сопровождает превращение сукцинил-СоА в сукцинат, что обеспечивает образование еще двух высокоэнергетических фосфатов на 1 моль глюкозы. Оценка эффективности улавливания энергии интактными митохондриями показывает, что при окислении субстратов, идущем с участием NAD-зависимых дегидрогеназ и дыхательной цепи, происходит включение 3 молей неорганического фосфата в ADPи образуется 3 моля АТР на Ѕ моля потребляемого кислорода. Отношение Р: О=2. Эти реакции называют реакциями окислительногофосфорилирования на уровне дыхательной цепи. В результате процессов дегидрогенирования при катаболизме глюкозы на путях гликолиза и цикла лимонной кислоты, завершающихся окислительнымфосфорилированием, вместе с фосфорилированием на субстратном уровне улавливается в виде высокоэнергетических фосфатов примерно 42% свободной энергиисгорания глюкозы. Очевидно, что образование АТР в основном происходит за счет функционирования дыхательной цепи.

Дыхательный контроль Скорость дыхания митохондрии может контролироваться концентрацией АDP. Это обусловлено тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены, т. е. функционирование дыхательной цепи не может осуществляться, если оно не сопровождаетсяфосфорилированиемADP. Чанс и Уильямс предложили рассматривать 5 состояний, при которых скорость дыхания митохондрий лимитируется определенными факторами (табл.1.1)

Обычно большая часть клеток, находящихся в покоящемся состоянии, пребывает в состоянии, при котором скорость дыхания определяется доступностью ADP. Энергия, необходимая для совершения работы, поставляется за счет превращения ATPв ADP, в результате создаются условия для увеличения скорости дыхания, что в свою очередь приводит к восполнению запасов АТР (рис. 1.7) Очевидно, что при определенных условиях на скорость работы дыхательной цепи может влиять и концентрация неорганического фосфата. При повышении скорости дыхания клетка приближается к состоянию 3 или состоянию 5: либо исчерпываются возможности дыхательной цепи. Скорость-лимитирующим фактором может оказаться ATP/ADP-транслокатор (см. 1.8), обеспечивающий поступление ADPиз цитозоля в митохондрии.

Таблица 1.1. Состояние дыхательного контроля Таким образом, механизм с помощью которого улавливается свободная энергия окисления пищевых продуктов, является ступенчатым, эффективным (40 — 45%) и регулируемым, а не взрывоподобным, неэффективным и неконтролируемым. Часть свободной энергии, которая не улавливается в форме высокоэнергетических фосфатов, освобождается в форме теплоты. Это совсем не означает, что она пропадает напрасно — у теплокровных животных она используется для поддержания температуры тела.

Ингибиторы дыхательной цепи Значительная информация о дыхательной цепи была получена при использовании различных ингибиторов; предполагаемые места их действия показаны на рис. 1.6. Ингибиторы можно разделить на 3 группы: ингибиторы дыхательной цепи, ингибиторы окислительногофосфорилирования, ингибиторы разобщители окислительного фосфорилирования.

Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в трех местах. Одно из них ингибируется барбитуратами, а также антибиотиком пиерицидином А. эти ингибиторы препятствуют окислению субстратов, которые поставляют восстановительные эквиваленты в дыхательную цепь при участии NAD — в форме теплоты.

Рис. 1.7. Роль ADP в дыхательном контроле

Заключение

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования. Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН+Н или восстановленного убихинона на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора и акцептора реакция является высокоэкзергонической. Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.

1. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е. С. Северина., 2007. 779

2. Константинов В. М. Общая биология. Учебник. М.: Академия, 2008.

3. Биохимия: В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова, А. Д, 2009

4. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия М.: Дрофа, 2008.-638 с.

5. Биология. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. М. В. Гиларов. — 3-е изд. — М.

6. http://fizrast.ru/fiziol-kletka/obmen-veshestv.html

7. http://www.biochemistry.ru/biohimija_severina/B5873Part19−108.html