Локализация некоторых ферментов в митохондриях (ферменты-маркеры)

Наружная мембрана:

• моноаминоксидаза;

• система удлинения жирных кислот;

• холинфосфотрансфераза;

• фосфолипаза А;

• кинуренингидроксилаза.

Матрикс:

• ферменты цикла Кребса (кроме сукцинатдегидрогеназы);

• глутаматдегидрогеназа;

• аспартатаминотрансфераза;

• первые два фермента синтеза мочевины;

• фосфоенолпируваткарбоксилаза.

Межмембранное пространство:

• аденилаткиназа;

• нуклеозиддифосфаткиназа.

Внутренняя мембрана:

• НАД·Н-дегидрогеназа;

• сукцинатдегидрогеназа;

• цитохромы b, c₁, c, a, a₃;

• Н⁺-АТФ-синтетаза;

• карнитинацилтрансфераза;

• АДФ-АТФ-транслоказа;

• фосфаттранслоказа;

• глутамат-аспартаттранслоказа;

• глутамат-ОН^--транслоказа;

• пируваттранслоказа;

• малат-цитраттранслоказа;

• малат-б-кетоглутараттранслоказа;

• в-оксибутиратдегидрогеназа.

Контрольные вопросы

1. Каково строение митохондрий ?

2. Какие ферменты являются маркерами внутренней и наружной мембран митохондрий ?

3. Какие ферменты являются маркерами матрикса и межмембранного пространства митохондрий ?

5.5.Принципы функционирования дыхательной цепи

Дыхательная цепь представляет собой конвейер по переносу вначале водорода, а потом электронов на кислород с постепенным освобождением энергии и аккумулированием ее в макроэргических связях АТФ. Работа дыхательной цепи подчиняется двум основным принципам:

1. Движущей силой дыхательной цепи является градиент редокс-потенциала. В начале полной цепи переноса электронов, там, где находится окислительно-восстановительная пара НАДН·Н⁺ / НАД⁺ редокс-потенциал сотавляет -0,32В. В конце дыхательной цепи, там, где окислительно-восстановительная пара ½ О₂ / Н₂О редокс-потенциал составляет + 0,82 В. В силу градиента редокс-потенциала вначале водород, а потом электроны перемещаются от начала к концу дыхательной цепи.

2. Вещество с меньшим редокс-потенциалом, вещество с большим редокс-потенциалом может только восстановить, но ни коем случае не окислить. И наоборот, вещество с большим редокс-потенциалом, вещество с меньшим редокс-потенциалом может только окислить, но ни коем случае не восстановить. Отсюда однонаправленное движение вначале водорода, а потом электронов от начала к концу дыхательной цепи.

Структура дыхательной цепи представлена на схеме 10. Цепь переноса электронов может быть полная и укороченная. При работе полной дыхательной цепи субстраты окисляются через НАД-зависимые дегидрогеназы передают на НАД·Н-дегидрогеназа (комплекс I), а от туда на КоQ, образованием КоQ-Н₂.

НАДН•Н⁺

QH₂

СУБСТРАТЫ

В→С₁

НАД-зависимые ФАД-зависимые

дегидрогеназы дегидрогеназы

НАДН-дегидрогеназа (ФМН)

А→А₃

→ С →

QH₂-дегидро- Цитохром-

АДФ АТФ геназа оксидаза

АДФ АТФ АДФ АТФ

Схема 10. Митохондриальная дыхательная цепь

Таблица 6

Основные компоненты цепи переноса электронов

Компонент	Молекулярная масса	Число субъединиц	Простетические группы
НАД·Н-дегидрогеназа (комплекс I)	850000	16	1 ФМН, 16-24 FeS
Сукцинатдегирогеназа (комплекс II)	125000	4	1 ФАД, 1 гем, 8 FeS
Убихинон	108	-	-
Убихинолдегидрогеназа (QH2-дегидрогеназа) (комплекс III)	250000	6-8	3 гем, 2 FeS
Цитохром с	13000	-	1 гем
Цитохромоксидаза (комплекс IV)	110000	12	2 гем, 2 Cu 2+
Н+-АТФ-синтетаза	500000	8-10	-

Как уже было сказано компоненты цепи переноса электронов расположены по градиенту редокс-потенциала. Там где перепад редокс-потенциала между двумя окислительно-восстановительными парами составляет 0,2 В и более, дыхание сопрягается с фосфорилированием и из АДФ и неорганического фосфата синтезируется молекула АТФ. При работе полной дыхательной цепи имеются три пункта сопряжения дыхания и фосфорилирования: 1-й - между НАД·Н-дегидрогеназой и КоQ; 2-й - между цитохромами b и c и 3-й - между цитохромами а и а₃. При этом образуются из АДФ и неорганического фосфата 3 молекулы АТФ по уравнению:

А ДФ + Н₃РО₄ АТФ + Н₂О

Следует обратить внимание, что на стадии образования КоQ-Н₂ сливаются два потока атомов водорода, вводимых в дыхательную цепь НАД-зависимыми и ФАД-зависимыми дегидрогеназами.

Затем в дыхательной цепи пути электронов и протонов расходятся. Перенос электронов осуществляется с помощью цитохромов. Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электрон:

F e ³⁺ +e^- Fe ²⁺

F e ²⁺ - e^- Fe ³⁺

Комплекс цитохромов b и c функционирует как QH₂-дегидрогеназа, т.е. осуществляет перенос электронов с QH₂ на цитохром с:

Q H₂ + 2с (Fe ³⁺) Q + 2H⁺ + 2c (Fe ²⁺)

Электроны последовательно проходят через атомы железа цитохромов b и с₁, а затем поступают на цитохром с; протоны при этом освобождаются в раствор. Стехиометрический коэффициент 2 перед символом цитохрома обусловлен тем, что с КоQ-H₂ передаются два электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону.

Комплекс цитохромов а и а₃ действует как цитохромоксидаза (цитохром-с-оксидаза). Цитохромоксидаза, помимо гема, содержит ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов меняя валентность:

C u ²⁺ +e^- Cu ⁺

C u ⁺ - e^- Cu ²⁺

Это комплекс цитохромов переносит электроны с цитохрома с на кислород:

2 с (Fe ²⁺) + ½ О₂ 2c (Fe ³⁺) + O^2-

Электроны последовательно присоединяются к ионам железа цитохромов а и а₃, затем к иону меди и, наконец, попадают на кислород.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома а₃ в форме молекулы О₂ (подобно тому, как он связывается с гемоглобином). Затем каждый из атомов молекулы О₂ последовательно присоединяет по два электрона и по два протона, превращаясь в молекулу воды:

О ₂ + 4e^- + 4Н⁺ 2Н₂О

Укороченная дыхательная цепь предназначена для субстратов, которые не могут окисляться через НАД-зависимые дегидрогеназы, вследствие того, что их редокс-потенциал больше чем у окислительно-восстановительной пары НАДН·Н⁺ / НАД⁺. Например, редокс-потенциал у янтарной кислоты (сукцината) составляет -0,01 В. Подобные субстраты окисляются ФАД-зависимыми дегирогеназами. Образующийся при этом ФАДН₂ передает водород непосредственно на КоQ, с которого он далее передается на цепь цитохромов. Поскольку в этом случаи в работе не участвует I комплекс, то в ходе дыхательной цепи образуется не 3, а 2 молекулы АТФ. Следует также отметить, что при работе укороченной дыхательной цепи эти 2 молекулы АТФ образуются быстрее, чем 3 при работе полной цепи. В некоторых случаях это бывает важно, когда энергию требуется получить быстро.

Таким образом, через дыхательную цепь атомы водорода пищевых веществ достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. В организме человека в результате тканевого дыхания образуется 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).