Убихинол-дегидрогеназа (цитохром с-редуктаза). Цитохром с-оксидаза. Особенности состава, строения, функций. Компоненты дыхательной цепи митохондрий.
Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи. 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 флавинзависимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы.
Е (FMNH2) + Q → Е (FMN) + QH2.
QН2-дегидрогеназа (коэнзим Q-цитохром с-ре-уктаза, комплекс III) состоит из 2 типов цитохромов (b1 и b2) и цитохрома с1. QН2-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с. В цитохромах типа b гем не связан ковалентно с белком, а в цитохромах с1 и с он присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей.
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. Содержит гем.
Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма энергии при окислительном фосфорилировании. Н- атф- синтаза: биологическая роль, локализация, строение, механизм синтеза атф.
Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, создаётся протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ - источник энергии для синтеза АТФ. Образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV. Важную роль в этом процессе играет KoQ, переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство. Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором - цитохром с. мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород.
АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1. Комплекс F1 состоит из 9 субъединиц (Зα, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы аир уложены попарно, образуя "головку"; между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ-, ε-, δ- субъединицы связывают комплекс F1 с F0.
Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμH+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμH+ происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ.
Регуляция функционирования системы окислительного фосфорилирования. Дыхательный контроль. Ингибиторы ферментов ЦПЭ. Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания.
Окислительное фосфорилирование регулируется с помощью НАДН-дегидрогеназы, сукцинат –дегидрогеназы, QH2- дегидрогеназы, цитохромоксидазы, Атф- синтазы.
Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2.
Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.
Ингибиторы NADH-дегйдрогеназы: ротенон-высокотоксичное вещество, содержащееся в некоторых водорослях и являющееся ядом для рыб; амитал - лекарственный препарат из группы барбитуратов. Ингибитор QН2 дегидрогеназы - антимицин А, токсичный антибиотик, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces. Ингибиторы цитохромоксидазы - цианид, СО, H2S. Цианид наиболее токсичен для человека; он присоединяется к Fe3+ цитохромоксидазы и блокирует перенос электронов к кислороду.
Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH2 возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается.
Терморегуляторная функция тканевого дыхания на синтез молекул АТФ расходуется примерно 40-45% всей энергии электронов, переносимых по ЦПЭ, приблизительно 25% тратится на работу по переносу веществ через мембрану. Остальная часть энергии рассеивается в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание температуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при разобщении дыхания и фосфорилирования. У новорождённых, а также зимнеспящих животных существует особая ткань, специализирующаяся на теплопродукции посредством разобщения дыхания и фосфорилирования - бурый жир. Около 10% всех белков приходится на так называемый разобщающий белок (РБ-1) - термогенин.
При охлаждении стимулируется освобождение норадреналина из окончаний симпатических нервов. В результате происходят активация липазы в жировой ткани и мобилизация жира из жировых депо.
Катаболзм оновных пищевых веществ (углеводы, жира, аминокислоты и белки). Понятие об общем и специфических путях катаболизма. Общий путь катаболизма, окисление пирувата и ацетил- КоА. Биологическое значение, локализация в клетке.
Углеводы, жирные кислоты и большинство аминокислот окисляются в конечном счёте через цикл лимонной кислоты до СО2 и Н2О. углеродный скелет превращается в двухуглеродный фрагмент в форме ацетил-КоА в этой форме большая часть "топливных" молекул включается в цикл лимонной кислоты. источником ацетил-КоА служит пировиноградная кислота.
Окислительное декарбоксилирование пирувата происходит в матриксе митохондрий.
Превращение пирувата в ацетил-КоА
СН3-СО-СООН + NAD+ + HSKoA → CH3-CO ∼SKoA + NADH + H+ + CO2
Стадия I. пируват соединяется с ТДФ в составе Е1 и подвергается декарбоксилированию.
Пируват + Е1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2
Стадия II. Дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) катализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты (рис. 6-21).
Стадия III. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2 (рис. 6-23).
Стадия IV. На стадии IV дигидролипоилде-гидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD - простетическую группу фермента Е3.
Стадия V . На стадии V восстановленный FADH2 передаёт водород на NAD+ с образованием NADH.