Организация цепи переноса электронов

Переносчики электронов в дыхательной цепи организованы в надмолекулярные комплексы (табл.3).

Таблица 3

Комплексы митохондриальной цепи переноса электронов

Ферментативный комплекс	Молекулярная масса (кДа)	Число субъединиц	Простетические группы
I НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-оксидоредуктаза)	850	42 (14)	ФМН, FeS
II Сукцинатдегидрогеназа	140	5	ФАД, FeS
III Убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза (цитохром bc1 комплекс)	250	11	Гемы, FeS
Цитохром с*	13	1	Гем
IV Цитохромоксидаза (цитохром с-оксидаза)	160	13 (3-4)	Гемы, CuA, CuB

Примечание: цитохром с не входит в состав комплекса; цитохром с является растворимым белком и перемещается между комплексами III и IV.

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) катализирует перенос электронов от НАДН к коферменту Q (КоQ).

1. Комплекс представляет собой фермент, состоящий из 42 полипептидных цепей, связан с внутренней мембраной митохондрии и пересекает ее поперечном направлении.

2. Простетическими группами являются ФМН-содержащий флавопротеин и шесть FeS-центров.

3. Комплекс I катализирует 2 сопряженных процесса: 1) экзергонический транспорт к убихинону гидрид-иона от НАДН и протона из матрикса (НАДН + Н⁺ + Q → НАД⁺ + QН₂) и 2) эндергонический перенос 4-х протонов из матрикса в межмембранное пространство.

4. Комплекс I катализирует перенос гидрид-иона от НАДН к ФМН, от которого 2 e¯ движутся через ряд FeS-центров к FeS-белку N-2 в матриксной части комплекса. От N-2 электроны переносятся к убихинону на мембранной части комплекса с образованием QН₂.

5. Движение протонов в межмембранное пространство приводит к образованию электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий, который накапливает энергию, высвобождаемую при переносе электронов. При этом наружная сторона мембраны, обращенная к межмембранному пространству, заряжается положительно, а внутренняя сторона, обращенная к матриксу, отрицательно.

6. Суммарное уравнение реакции, которое показывает локализацию протонов можно записать следующим образом:

НАДН + 5 Н⁺_N + Q → НАД⁺ + QH₂ + 4H⁺_P , где N (negative) – отрицательно заряженная сторона мембраны (матрикс), P (positive) – положительно заряженная сторона внутренней мембраны митохондрий (межмембранное пространство)

7. Убихинол (QH₂) диффундирует во внутренней мембране митохондрий от комплекса I к комплексу III, где окисляется до Q.

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа):

1. Сукцинатдегидрогеназа (комплекс II) является интегральным белком, связанным с внутренней мембраной митохондрий и окисляет сукцинат (янтарную кислоту из ЦТК).

2. Простетические группы: ФАД, FeS-центры с четырьмя атомами Fe. Электроны транспортируются от сукцината (промежуточный продукт ЦТК) к ФАД, затем через FeS-центры к убихинону. Выталкивания протонов в межмембранное пространство не происходит, поскольку изменение свободной энергии незначительно.

3. Другие субстраты для митохондриальных дегидрогеназ отдают электроны в дыхательную цепь на уровне убихинона, но не через комплекс II (рис. 9.4).

4. Ацил-КоА (активная форма жирной кислоты) окисляется ФАД-зависимой дегидрогеназой (ацил-КоА-дегидрогеназой), которая передает электроны на электронтранспортный флавопротеин (ЭТФ), ЭТФ:убихинол оксидоредуктазу и в дыхательную цепь на убихинон.

5. Глицерол-3-фосфат, образующийся при распаде триацилглицеролов или восстановлении диоксиацетонфосфата при гликолизе, окисляется ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой, который локализован на наружной стороне внутренней мембраны митохондрий и передает электроны в дыхательную цепь на убихинон.

6. QH₂, образующийся в результате этих реакций, окисляется комплексом III.

Комплекс III (цитохром bc₁ комплекс, убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза) переносит электроны от восстановленного кофермента Q (убихинола) к цитохрому с, который является водорастворимой молекулой и локализован в межмембранном пространстве, и одновременно транспортирует протоны из матрикса в межмембранное пространство. Убихинол-цитохром с-редуктаза содержит 2 типа цитохромов b и c и Fe-S белки.

Механизм переноса электронов в комплексе можно представить следующим образом:

Комплекс IV (цитохром с-оксидаза, цитохромоксидаза) катализирует перенос электронов от цитохрома с к молекулярному кислороду, как конечному акцептору. Для полного восстановление кислорода до Н₂О необходимо 4 электрона и 4Н⁺.

4 цит с (восстановл.) + 4 Н⁺ + О₂ → 4 цит с (окислен.) + 2 Н₂О

Комплекс IV представляет собой большой фермент (13 субъединиц, м.м. 204 000 Да) внутренней мембраны митохондрий. Известно, что 3 субъединицы кодируются митохондриальной ДНК. Содержит две молекулы гема а и а₃ и два иона меди (Cu_A и Cu_B), которые принимают электрон и восстанавливаются (Cu²⁺ ↔ Cu¹⁺).

Электроны передаются: цитохром с → Cu_A → Fe гема а → Fe гема а₃- Cu_B. Гем а₃ вместе с атомом меди Cu_B образует «бинуклеарный центр», с которым связывается кислород. Кислород остается связанным между планарной структурой гема а₃ и Cu_B до полного восстановления. Это препятствует образованию токсичных свободных радикалов.

Для каждых 4-х электронов, проходящих через комплекс, фермент использует 4 «субстратных» Н⁺ из матрикса (N сторона), превращая кислород в Н₂О. Энергия восстановительной реакции используется для выталкивания в межмембранное пространство (Р сторона) одного Н⁺ на каждый транспортируемый электрон.

Суммарное уравнение, катализируемое комплексом IV можно представить следующим образом:

4 цит с (восстановл.) + 8 Н⁺_N + О₂ → 4 цит с (окислен.) + 4H⁺_P + 2 Н₂О

K 6-й координационной связи железа цитохрома а может присоединиться HCN, H₂S, CO. При этом валентность железа (Fe³⁺) становится постоянной и поток электронов прекращается. Это механизм действия дыхательных ядов.

Определение окислительного фосфорилирования

Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом протонов и электронов по дыхательной цепи от субстратов к кислороду, называется окислительным фосфорилированием.

Энергия окисления, достаточная для образования молекулы АТФ выделяется в дыхательных цепях в следующих участках: 1) НАДН-дегидрогеназа; 2) убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза; 3) цитохром с-оксидаза. На этих стадиях изменения ОВП превышают 0,22 В, что достаточно для образования макроэргической связи АТФ (>30,2 кДж/моль). Уменьшение свободной энергии, сопровождающее перенос протонов и электронов на кислород в результате одного дегидрирования, составляет примерно 220 кДж/моль. При этом на синтез АТФ в полной дыхательной цепи может быть израсходовано 30,23=90,6 кДж/моль. Отсюда КПД ЦПЭ около 40%. Остальная энергия рассеивается в виде тепла (поддержание температуры тела).