3. Окислительное фосфорилирование: сущность процесса, обобщенная схема, субстраты, коэффициент р/о. Строение митохондрий.

Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН2) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.

Согласно гипотезе Питера Митчела перенос электронов, происходящий во внутренней митохондриальной мембране, вызывает выкачивание ионов Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н+ между цитозолем и замкнутым внутримитохондриальным пространством. Ионы водорода в норме способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом – через специальный фермент, образующий АТФ – АТФ-синтазу.

По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью или электрон-транспортной цепью.

Принцип работы дыхательной цепи

1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН₂ передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.

2. Электроны 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 электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

5. Протоны Н⁺ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу.

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

Общая схема окислительного фосфорилирования

Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи. Благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т.е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФ-синтазой, к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу Н₂О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.

Расчет энергетической ценности окисления вещества и коэффициента Р/О

По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH+H+ соответствует 2,5, для ФАДH₂ – 1,5.

При расчете энергетической ценности, т.е. количества АТФ, образующейся при окислении вещества, и коэффициента Р/О необходимо представлять себе весь путь этого вещества до полного окисления его углеродных атомов в СО_2. При этом необходимо учитывать число атомов углерода в молекуле.

Для расчета Р/О при окислении какой-либо молекулы необходимо учитывать следующее:

• для синтеза одной молекулы АТФ и ее переноса ее в цитозоль требуется 4 протона,

• восстановленный эквивалент (молекула НАДН+H⁺ или ФАДН₂) передает в цепь переноса электронов по 2 электрона.

• для восстановления кислорода в воду необходима 1 пара электронов.

• при прохождении пары электронов через всю дыхательную цепь (от НАДН+H+), т.е. через I, III, IV комплексы выкачивается 10 ионов Н⁺, их энергии достаточно для синтеза 2,5 молей АТФ.

• при прохождении пары электронов от ФАДН₂ через III и IV комплексы дыхательных ферментов  выкачивается 6 ионов Н+, их энергии достаточно для синтеза 1,5 моля АТФ.

Строение митохондрий

Митохондрии — это органеллы размером с бактерию (около 1×2 мкм).

• Во всех эукариотических клетках.

• Митохондрия ограничена двумя мембранами — гладкой внешней и складчатой внутренней, имеющей очень большую поверхность.

• Складки внутренней мембраны глубоко входят в матрикс митохондрий, образуя поперечные перегородки — кристы.

• Пространство между внешней и внутренней мембранами обычно называют межмембранным пространством.

4. Дыхательная цепь — ключевой компонент митохондриальной системы окислительного фосфорилирования. Структурная организация дыхательной цепи. Митохондриальная цепь переноса электронов как часть системы дыхания всего организма.

Дыхательная цепь включает множество белков-переносчиков

Всего цепь переноса электронов ( включает в себя разнообразные белки, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ. 

• 1 комплекс. НАДН-КоQ-оксидоредуктаза

Функция

1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).

2. Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

• 2 комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы

Функция

1. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.

2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q (убихинон).

• 3 комплекс. КоQ-цитохром c-оксидоредуктаза

Функция

1. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с.

2. Переносит 2 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

• 4 комплекс. Цитохром с-кислород-оксидоредуктаза

Функция

1. Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.

2. Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

• 5 комплекс

Пятый комплекс – это фермент АТФ-синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы:

• субъединицу Fo – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс.

• субъединицу F1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.

Механизм работы АТФ-синтазы получил название вращательный катализ.

5. НАД-зависимые и флавиновые дегидрогеназы. НАДН-дегидрогеназа. Убихинол-дегидрогеназа (цитохром с-редуктаза). Цитохром с-оксидаза. Особенности состава, строения, функций. Коферменты компонентов дыхательной цепи митохондрий.

Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нём участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый ИЗ которых способен присоединять электроны от предыдущего компонента И передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, В результате чего происходят восстановление О2, и синтез Н2О. В дыхательную цепь митохондрий входит большое число переносчиков

Дыхательная цепь включает:

• ферменты: НАД- или ФМН(ФАД)-зависимые дегидрогеназы;

• цитохромы (гемопротеины, (комплексы), связанные между собой убихиноном (КоQ) и цитохромом с.)

Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, после которого пути электронов и протонов расходятся: электроны далее транспортируются по цепи цитохромов, а протоны переносятся из матрикса в межмембранное пространство.

За исключением убихинона ( КоQ), все Компоненты ЦПЕ - белки. В составе этих белков содержатся различные небелковые компоненты: FМN, Fе В составе железо-серных белков и в составе порфириновых колец, ионы Cu.

1. NAD — зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD⁺ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода.

2. FAD — зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. NADH — дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент — FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят, называются флавопротеины. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Строго говоря, FMN не является нуклеотидом, так как флавиновая часть связана с рибитолом, а не с рибозой.

3. Убихинон (кофермент Q) — производное изопрена. Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

4. Цитохромы — это гемопротеины — белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем.

Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны.

В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно—восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃.

5. Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а₃ (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃.

6. Белки, содержащие негеминовое железо. Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях, однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.

Строение ферментативных комплексов  дыхательной цепи