Цитохромная система

Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах организмов

—обозначаются латинскими буквами в,с1,с,а,а3.

—Основная функция цитохромов – перенос электронов. Комплекс цитохромов в и с1 функционирует как QH2 – дегидрогеназа: он осуществляет перенос электронов с QH2 на цитохром С. Комплекс цитохромов а и а3 действует как цитохриомокисдаза.

—Цитохромоксидаза помимо гема содержит ионы меди, которые участвуют в переносе электронов(этот комплекс цитохромов перенеосит электроны с цитохромы на кислород)

—В клетках эукариотов они локализованы в митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30 различных цитохромов. Все цитохромы в качестве простетической группы содержат гем . Их многообразие обусловлено:

• различием боковых цепей в структуре тема;

• различием в структуре полипептидных цепей;

• различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в определённой части спектра все цитохромы делят на группы а, b, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (b, b₁, b₂ и т.д.).

Структурные особенности разных видов цитохромов определяют различие в их окислительно-восстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а₃, b, с, с₁). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов.

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. 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.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) состоит из 2 цитохромов типа аа₃ каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а₃ имеют характерную железопорфириновую простетическую группу, называемую гемом А и отличающуюся от гема цитохромов с и c₁. Он содержит формильную группу вместо одной из метальных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп. Другая особенность комплекса а-а₃ - наличие в нём ионов меди, связанных с белковой астью в так называемых CuA-центрах. Перенос электронов комплексом а-а₃ включает реакции:

Cu⁺ ↔ Cu²⁺ + e, Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ + e.

Комплекс цитохромов а-а₃ непосредственно реагирует с молекулярным кислородом

СХЕМА ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ

Организация дыхательной цепи

По современным представлениям внутренняя мембрана митохондрий содержит 5 мультиферментных комплексов, включающих множество дыхательных ферментов. Последовательность их расположения – дыхательная цепь.

Компоненты комплексов расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов). Его величина связана с изменением свободной энергии. Её выражают в вольтах.

Принцип работы дыхательной цепи

1.Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают протоны водорода Н+ и электроны (ē) на ферменты дыхательной цепи.

2. ē движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

4. В конце дыхательной цепи ē попадают на О2 и восстанавливают его до Н2О.

5. Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу (V комплекс).

6. При этом Н+ теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Переносчики в дыхательной цепи

I комплекс – НАДН-дегидрогеназа

В комплекс входят две группы: ФМН и FeS (железо-серные белки).

На ФМН комплекса протоны Н+ и 2ē от субстратов передают НАД-зависимые дегидрогеназы, находящиеся в матриксе, с образованием ФМНН2. ФМНН2 ē и протоны транспортируют на FeS, затем на кофермент Q (убихинон). Одновременно с комплекса протоны Н+ переносятся в межмембранное пространство (ММП).

II комплекс - ФАД- зависимые дегидрогеназы.

Состоит из ФАД и FeS. На ФАД ē и протоны отщепляются от субстратов окисления ФАД. ФАД восстанавливается в ФАДН2. С ФАДН2 они передаются на FeS, с FeS – на убихинон.

Убихинон – или кофермент Q. Это небелковый переносчик. Структура КоQ сходна с витаминами К, Е.

Молекулы Q в организме человека содержат 10 изопреноидных звеньев и обозначаются - Q10.

Убихинон является коллектором всех ē, поступающих в митохондрии от разных субстратов и передает их на III комплекс.

Цитохромы

Обнаружены в 1886г. Мак-Мунном, исследованы в 1925г. Девидом Кейлином.

Цитохромы (Ц)- это сложные белки-гемопротеины, которые в качестве простетической группы содержат гем

Известно около 30 различных Ц.

Цитохромы имеют особенности:

Железо в Ц способно изменять свою степень окисления, поэтому Ц в ЦПЭ транспортируют только ē

В транспорте двух ē принимают участие две молекулы каждого вида цитохромов, так как одна молекула может переносить только один ē.

III комплекс -QН2-дегидрогеназа

III комплекс включает 2 типа Ц: в, с1 и FeS.

ē передаются от Ц в на FeS-центры, затем на Ц с1 и на Ц с. Одновременно с комплекса протоны Н+ переносятся в ММП.

Цитохром С - периферический водорастворимый мембранный белок, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом. От Ц с ē переносятся на IV комплекс.

IV комплекс- цитохромоксидаза

В IV комплекс входят два цитохрома а и а3, каждый из которых имеет центр связывания с кислородом.

В комплексе содержатся 2 иона меди.

С комплекса протоны Н+ переносятся в ММП.

IV комплекс транспортирует ē непосредственно на молекулярный кислород, активируя его:

аа3 ½ О2 О

У активированного О2 появляются две свободные валентности, к которым присоединяются 2 протона Н+, поступающие из матрикса. Это приводит к образованию Н2О.

V комплекс – АТФ-синтаза

АТФ-синтаза состоит из двух белковых субъединиц.

Гидрофобная - F0 погружена в мембрану.

Функция – каналообразующая, по ней протоны переносятся в матрикс.

Субъединица F1 выступает в матрикс.

Ф ункция – каталитическая, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.

внутренняя

мембрана

Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, их транспорт по ЦПЭ к кислороду сопровождается относительно большим снижением свободной энергии.

В ЦПЭ можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Это количество свободной энергии необходимо для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование).

Процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

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

Механизм сопряжения окончательно не выяснен, наиболее обоснованной является хемиосмотическая теория Митчелла, предложенная в 1961г.

Перенос электронов по ЦПЭ от НАДН к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана не проницаема для протонов.

Т аким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд – на внутренней стороне, положительный заряд – на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН⁺ - источник энергии для синтеза АТФ.

Энергия электрохимического потенциала (ΔμН⁺) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы (V комплекс).

Наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН⁺ происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III, IV. Эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, где и происходит синтез АТФ.

ВАРИАНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.