Организация дыхательной цепи в митохондриях

Билет 1

Анаболические превращения направлены на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, т.е. на синтез сложных биомолекул из более простых. Это восстановительные, эндергонические процессы, протекающие с увеличением свободной энергии.

Катаболические превращения направлены на расщепление сложных молекул (как поступивших с пищей, так и уже входящих в состав клеток) до простых компонентов (на конечных стадиях – преимущественно до CO2 и воды). Это окислительные, экзергонические процессы, сопровождающиеся понижением свободной энергии.

Анаболические процессы протекают благодаря энергии, заключенной в химических связях

молекул специфической группы «высокоэнергетических» соединений (АТФ и др.), в которых аккумулируется энергия, выделяемая в катаболических процессах.

В биохимии под "высокоэнергетическими" соединениями понимаются лабильные вещества, гидролиз которых в физиологических условиях сопровождается значительным понижением ∆G. Выигрыш в свободной

энергии используется для смещения равновесия в сопряженных термодинамически невыгодных

биохимических процессах, например синтеза биополимеров. Так, АТФ является сопрягающим энергетическим звеном обеих сторон метаболизма – анаболизма и катаболизма.  Такое энергетическое

сопряжение представляет собой основной способ использования энергии в живых организмах.

Но не только АТФ, а и другие соединения, образующиеся в результате катаболизма и используемые в анаболических процессах для синтеза специфических биомолекул, выполняют роль

субстратов, сопрягающих отдельные метаболические процессы. Такие пути (или циклы) катаболических и анаболических процессов – называют амфиболические.

Амфиболические пути придают обмену веществ

значительную гибкость и экономичность с точки зрения использования энергии и материальных ресурсов.

Билет 2

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

окислительно-восстановительные реакции, протекающие в организмах; осн. источник их энергии. Сводится к передаче атомов водорода или электронов от одного органич. соединения к другому с помощью ферментов-оксидоредуктаз, в первую очередь дегидрогеназ. При анаэробном Б. о. акцептором водорода являются низкомолекулярные соединения (НАД или НАДФ). При аэробном Б. о, (тканевое дыхание) акцептором водорода в конечном итоге служит кислород; ткани при этом поглощают кислород и выделяют CO2 и Н2О. В результате Б. о. освобождённая энергия накапливается в дыхательной цепи в виде химич. связей макроэргич. соединений и используется организмом для различных физиол. функций. Большое значение для Б. о. имеет ЦТК, в результате к-poro окисляются продукты жирового, углеводного и белкового обменов.

Энергия освобождается в процессе ферментативного окисления метаболитов специфическими дегидрогеназами. В реакциях дегидрирования электроны и протоны переходят от органических субстратов на коферменты NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ. Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных коферментов NADH и FADH2 к кислороду через цепь переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Восстановление молекулы О2 происходит в результате переноса 4 электронов. При каждом присоединении к кислороду 2 электронов, поступающих к нему по цепи переносчиков, из матрикса поглощаются 2 протона, в результате чего образуется молекула Н2О.

1.Экспериментально было подтверждено, что процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Первый процесс - перенос электронов от восстановленных коферментов NADH и FADH2 через ЦПЭ на кислород - экзергонический. Например:

NADH + Н+ +1/2 O2 → NAD+ + H2O + 52 ккал/моль(≈220 кДж/моль). (1)

Второй процесс - фосфорилирование АДФ, или синтез АТФ, - эндергонический:

АДФ + Н3РО4+7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль) = АТФ + Н2О. (2)

Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Субстратное

S---OP₃H₂+АДФ→АТФ+S (ФЕРМЕНТ-КИНАЗА)

ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

H₂O→NADH+H⁺+O₂ (hv-квант света)

NADH+H⁺+АДФ+P→АТФ+NAD⁺

Билет 3.

Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Отношение количества связанного фосфата к количеству поглощенного кислорода (О) называют коэффициентом фосфорилирования и обозначают как Р/О. Как было показано, коэффициент

Р/О равен 3. Эта величина отражает теоретически возможный выход АТФ. В действительности часть

энергии электрохимического потенциала используется не на синтез АТФ, а на перенос веществ через

митохондриальную мембрану при участии ферментов транслоказ.

Суммарный результат окисления (НАДН + Н⁺) и фосфорилирования АДФ в дыхательной цепи можно представить следующим образом:

НАДН + Н⁺+ ½О2 → НАД⁺ + Н2О;

3АДФ + 3Н3РО4 → 3АТФ + 3Н2О.

Митохондрии обычно имеют форму цилиндра с закругленными концами, длиной 1–4 мкм и диаметром 0,3–0,7 мкм. Они состоят из внешней и внутренней мембран, которые различаются по составу, свойствам и функциям. Внешняя мембрана легко проницаема для молекул с молекулярной массой до 5 000, в то время как проницаемость внутренней мембраны строго ограничена и избирательна, что определяется наличием специфических транспортных систем. На долю ферментов дыхательной цепи приходится 30–40% всех белков внутренней мембраны.

Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в митохондриях. I - NADH-дегидрогеназа; II - сукцинатдегидрогеназа; III - QН₂-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V - АТФ-синтаза. Энергия протонного потенциала (электрохимического потенциала ΔμН⁺ используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Билет 4

Дыхательная цепь — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. Она позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану.

Организация дыхательной цепи в митохондриях

Основные переносчики электронов встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и организованы в 4 комплекса, расположенных в определённой последовательности . В этой последовательности их стандартные о-в потенциалы становятся более положительными по мере приближения к кислороду.

Каждое звено этой цепи специфично в отношении донора и акцептора электронов.

На первом этапе дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от различных субстратов. Если субстратами служат а-гидрокси-кислоты малат, изоцитрат, 3-гидроксибутират, водород переносится на NAD+. Образовавшийся NADH в дыхательной цепи, в свою очередь, окисляется NADH-дегидрогеназой (комплекс I).

Если субстратом служат такие соединения, как сукцинат или глицерол-3-фосфат, акцептором водорода служат FAD-зависимые дегидрогеназы. От NADH и FADH2 электроны и протоны передаются на убихинон и далее через цепь цитохромов к молекулярному кислороду.

До сих пор точно неизвестно, каким образом расположены все переносчики электронов дыхательной цепи. Однако установлено, что в расположении дыхательных комплексов существует определённая асимметрия: некоторые из белков-переносчиков находятся ближе к той стороне внутренней мембраны, которая обращена к матриксу, а другие - к противоположной; некоторые белки пронизывают мембрану насквозь

§ Комплекс I (НАДН дегидрогеназа) окисляет НАД-Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

§ Комплекс II (Сукцинатдегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.

§ Комплекс III (Цитохром bc₁ комплекс) переносит электроны с убихинола на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии.Убихинол передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинола и перекачиваются комплексом.

§ Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O₂ и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов А и А3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.

 Ингибиторы дыхательной цепи

Некоторые вещества блокируют перенос электронов через комплексы I, II, III, IV .

§ Ингибиторы I комплекса — барбитураты, ротенон, пиерицидин

§ Ингибитор II комплекса — малонат.

§ Ингибитор III комплекса — антимицин А, миксотиазол, стигматтелин

§ Ингибиторы IV комплекса — сероводород, цианиды, угарный газ, оксид азота.

Билет 5.

На первом этапе дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от различных субстратов. Если субстратами служат а-гидрокси-кислоты малат, изоцитрат, 3-гидроксибутират, водород переносится на NAD+. Образовавшийся NADH в дыхательной цепи, в свою очередь, окисляется NADH-дегидрогеназой (комплекс I).

Если субстратом служат такие соединения, как сукцинат или глицерол-3-фосфат, акцептором водорода служат FAD-зависимые дегидрогеназы. От NADH и FADH2 электроны и протоны передаются на убихинон и далее через цепь цитохромов к молекулярному кислороду.

Никотинамидзависимыедегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD⁺ или NADP⁺ . NAD⁺ и NADP⁺ - производные витамина PP. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD⁺. Они катализируют реакции типа:            R-CHOH-R₁ + NAD⁺↔ R-CO-R₁ + NADH + Н⁺.

Таким образом, NAD⁺, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ.

Молекулы убихинона различаются длиной углеводородной цепи, обозначается как Q₁₀. В процессе переноса электронов с NADH-дегидрогеназы через FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинзависимыхдегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы. Убихинон участвует в реакциях типа:

Е (FMNH₂) + Q → Е (FMN) + QH₂.

QН2-дегидрогеназа (коэнзим Q-цитохром С-редуктаза, комплекс III) состоит из 2 типов цитохромов (b1 и b2) и цитохрома с1. QН2-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с. Внутри комплекса III электроны передаются от цитохромов b на FeS-центры, на цитохром с1, а затем на цитохром с. Группы тема, подобно FeS-центрам, переносят только по одному электрону. Таким образом, от молекулы QH2 2 электрона переносятся на 2 молекулы цитохрома b. В качестве промежуточного продукта в этих реакциях переноса электронов возможно образование свободного радикала се-михинона. В цитохромах типа b гем не связан ковалентно с белком, а в цитохромах с1 и с он присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей). Эти связи образуются путём присоединения 2 цистеиновых остатков к винильным группам гема.

Цитохром с- периферический водорастворимый мембранный белок с молекулярной массой 12 500 Д, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков, и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом.

Билет 6

Энергия электрохимического потенциала (∆μH⁺) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаютсяв матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.