Принцип действия дыхательной цепи.

От окисленных субстратов в дыхательную цепь поступают два атома водорода и присоединяются к остатку витамина В₅, при этом субстрат окисляется, а НАД восстанавливается.

Далее атом водорода присоединяется к остатку витамина В₂ в ФМН или ФАД, которые восстанавливаются, а НАД окисляется.

Далее два атома водорода могут пойти различными путями:

А) Уйти внутрь митохондрий (в митохондральное пространство) и соединиться ЧС кислородом, образуя перекись водорода. Так как Н₂О₂ является ядом, то существует фермент каталаза (присутствует в тканях), который катализирует распад перекиси до кислорода и воды.

Б) Два атома водорода перешли внутрь митохондрий и соединились с переносчиком, часто – с аскорбиновой кислотой, восстановив её. В дальнейшем водород перейдет на кислород от аскорбиновой кислоты.

В) Два атома водорода переходят на убихинон, при этом ФМН (ФАД) окисляется, а убихинон восстанавливается.

Далее два атома водорода распадаются на два протона и два электрона. Протоны уходят в матрикс митохондрий, а электроны поочередны поступают в цитохромную систему. При этом убихинон окисляется, а цитохром В восстанавливается путем изменения валентности железа (Fe³⁺ + ē  Fe²⁺)

Аналогично электрон проходит по цитохрому с₁, с, аа₃. В цитохромах аа₃ вместо железа восстанавливается и окисляется медь (Сu²⁺ + ē  Cu⁺).

С цитохрома а₃ электрон поступает на атомарный кислород, ионизируя его. Ионизированный кислород взаимодействует с протонами с образование молекулы воды. 2 Н⁺ + О^2-  Н₂О.

Таким образом, при прохождении двух атомов водорода по дыхательной цепи образуется молекула воды и выделяется энергия 287 кДж.

Окислительное фосфорилирование

Энергия выделяется на каждом этапе прохождения водорода и электрона, т.к. ферменты дыхательной цепи расположены в порядке возрастания их электронных потенциалов. В начале цепи потенциал –0,32 В, а в конце цепи +0,83 В.

По закону Фарадея можно рассчитать выделившуюся энергию как во всей цепи, так и на каждом её этапе.

Установлено, что на трёх этапах образовавшаяся энергия аккумулируется в макроэргических связях АТФ. На этих этапах выделяется энергии достаточно (больше 31 кДж) для синтеза АТФ.

Реакция АДФ + Н₃РО₄ (Ф) + 31 кДж = АТФ называется окислительное фосфорилирование.

Существует также субстратное фосфорилирование - образование АТФ, ГТФ и других макроэргических соединений за счёт энергии, выделенной не в дыхательной цепи.

Существует нефосфорилированное дыхание (свободное окисление) – водород окисляется до воды, энергия выделяется, но не аккумулируется в АТФ, а расходуется на поддержание постоянной t⁰ тела (например, при переохлаждении).

Окислительное фосфорилирование (методичка)

Процесс переноса протонов электронов по дыхательной цепи к кислороду протекает самопроизвольно, так как электронный потенциал в начале цепи равен -0,32 В, а в конце цепи +0,81 В и сопровождается большим уменьшением свободной энергии.

Математически подсчитав (по закону Фарадея), видно, что при каждом прохождении двух атомов водорода по дыхательной цепи и окислении до воды выделяется энергия в количестве 218,22 кДж.

Для образования АТФ из АДФ и Ф (фосфор неорганический) требуется 30,4 кДж. То есть может синтезироваться примерно 7 молекул АТФ.

Однако установлено, что энергия в дыхательной цепи выделяется на каждой стадии, но только на трёх стадиях она аккумулируется в макроэргических связях АТФ, так как на этих стадиях выделяется энергии достаточно для синтеза АТЫ (более 30,4 кДж). Такими участками служат:

Пиридинпротеид (НАД)  Флавопротеид (ФАД)

цитохром в  цитохром с₁

цитохром а₃  кислород

Процесс трансформации высвободившейся при тканевом дыхании свободной энергии в энергию фосфатной связи называется окислительное фосфорилирование.

Реакция окислительного фосфорилирования: АДФ + Ф = АТФ – 30,4 кДж

Степень фосфорилирования выражается коэффициентом фосфорилирования (Р/О), где Р – количество этерифицированного фосфора, О – количество связанного кислорода.

Р/О = 3 (если водород «принесли» НАД-дегидрогеназы), Р/О = 2 (если водород «принесли» ФАД-дегидрогеназы).

В тканях иногда (в частности, при охлаждении) протекает свободное окисление (нефосфорилированное дыхание) – когда дыхательная цепь функционирует, энергия выделяется, но не аккумулируется в АТФ.

Часть энергии, высвобождающейся в дыхательной цепи и не аккумулированной в АТФ расходуется на поддержание постоянной температуры тела.

Помимо окислительного фосфорилирования существует субстратное фосфорилирование – энергия аккумулируется в АТФ не в дыхательной цепи. Доля субстратного фосфорилирования невелика.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (цикл Кребса, лимоннокислый цикл, метаболический котёл)

Цикл был открыт в 1935 г., а в 1953 г. за его открытие была присвоена Нобелевская премия Кребсу и Ламплану.

Цикл представляет собой окисление остатков уксусной кислоты, которые поступают из всех обменов в митохондрию клетки.

Реакции цикла:

1) Конденсация. Ацетил Ко-А взаимодействует со щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетат) с образованием лимонной кислоты (цитрат). Катализирует реакцию фермент цитратсинтетаза.

2) Изомеризация. Лимонная кислота превращается в изолимонную (изоцитрат). Катализирует реакцию фермент цис-аконитаза. Реакция двухстадийна: сначала происходит дегидратация, а потом гидратация.

3) Окислительное декарбоксилирование. Изолимонная кислота декарбоксилируется (– СО₂) и окисляется дегидрированием (– Н₂) с образованием α-кетоглутаровой кислоты. Фермент – изоцитрат-дегидрагиназа-НАД-содержащая-декарбоксилирующая (ИЦДГ). Фермент восстанавливается и передает два атома водорода на начало дыхательной цепи митохондрий. Водород проходит по цепи, окисляется до воды, при этом выделяется энергия, достаточная для синтеза 3х молекул АТФ.

4) Окислительное декарбоксилирование. α-кетоглутаровая кислота декарбоксилируется и окисляется дегидрированием с образованием янтарной кислоты (сукцинат). Катализирует реакцию фермент α-кетоглутарат-дегидраназа-НАД-содержащая-декарбоксилирующая. Фермент восстанавливается и передает два атома водорода на начало дыхательной цепи митохондрий. Водород проходит по цепи, окисляется до воды, при этом выделяется энергия, достаточная для синтеза 3х молекул АТФ.

Реакция двухстадийна. Промежуточным продуктом является сукцинил-кофермент А, при распаде которого выделяется энергия, которая аккумулируется в ГТФ (субстратное фосфорилирование).

5) Окисление. Янтарная кислота окисляется дегидрированием с образованием фумаровой кислоты. Фермент, катализирующий реакцию, сукцинат-дегидрагиназа-ФАД-содержащая. Фермент восстанавливается, передает два атома водорода на убихинон. Водород проходит по цепи, окисляется до воды, при этом выделяется энергия, достаточная для синтеза 2х молекул АТФ.

6) Гидратация. Фумаровая кислота присоединяет воду с образованием яблочной кислоты (малат). Фермент, катализирующий реакцию, фумараза (фумаратгидратаза).

7) Окисление. Яблочная кислота окисляется дегидрированием в ЩУК (оксалацетат). Фермент, катализирующий реакцию, малатдегидрагиназа-НАД-содержащая. Фермент восстанавливается, передает два атома водорода на начало дыхательной цепи митохондрий. Водород проходит по дыхательной цепи, окисляется до воды, при этом выделяется энергия, достаточная для синтеза 3х молекул АТФ.

Таким образом, при окислении 1 молекулы ацетил КоА в цикле Кребса образуется 2 СО₂, 2 Н₂О, 12 АТФ, при чем 11 АТФ в результате окислительного фосфорилирования, а 1 АТФ – в результате субстратного фосфорилирования.