~ 40-50% энергии окисляющихся веществ используется клетками для синтеза АТФ из АДФ и
H3PO4:
АДФ + H3PO4 → АТФ + H2O
! Реакция идет с затратой большого кол-ва энергии.
Для синтеза АТФ используется 2 источника энергии: окислительное и субстратное фосфорилирование.
1)Окислительное фосфорилирование происходит за счет энергии переноса электронов от органических веществ к O2.
! Может происходить только в аэробных условиях.
Этим способом образуется ~ 95% всего АТФ в организме.
2)Субстратное фосфорилирование происходит за счет энергии макроэргических связей некоторых соединений.
Например: 1,3-бифосфоглицерат, фосфоенолпируват, сукцинил-KoA, креатинфосфат и др.
Фермент (киназа)
S – O ~ PO3H2 S – OH
АДФ АТФ
Может происходить как в матриксе митохондрий, так и в цитоплазме клеток независимо от присутствия O2.
! Это вспомогательный путь синтеза АТФ в организме. (образуется ~ 5 % от всего АТФ организма)
Содержание АТФ в организме человека составляет всего ~ 50 г.
Т.к. клетки не способны накапливать АТФ, а расход энергии происходит постоянно, в организме также постоянно идет синтез АТФ из АДФ и Н3РO4.
За сутки в организме человека может синтезироваться до 60 кг АТФ (столько же и расходуется).
Фосфорилирование АДФ и последующее использование АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс (цикл АДФ-АТФ):
Цикл АТФ-АДФ:
Катаболизм
веществ
Энергия
АДФ + H3PO4 АТФ + H2O
|
Энергия |
|
|
Анаболизм |
|
Активный |
Продукция |
|
|||
|
|
||
|
|
транспорт |
тепла |
|
|
|
|
Сокращение
мышц
Цикл АДФ-АТФ работает постоянно.
В ходе него образуется то кол-во АТФ, которое было израсходовано клеткой.
Образующийся нуклеотид АТФ имеет две макроэргические связи (~) и используется в клетках как универсальный источник энергии для синтеза веществ и других видов работы (активный транспорт веществ через мембраны, мышечное сокращение и т.д.).
Цепь переноса электронов (ЦПЭ).
Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) – это сложная система переносчиков, при участии которой происходит процесс последовательного переноса электронов от NADH и FADH2 на O2.
Дыхательной цепи предшествует отнятие атомов водорода от окисляемых субстратов (реакции дегидрирования).
Эти реакции относятся к окислительновосстановительным.
Их катализируют ферменты оксидоредуктазы (подкласс: дегидрогеназы).
Бóльшая часть окислительно-восстановительных реакций в клетке происходит в матриксе митохондрий.
Реакции дегидрирования происходят в ходе специфических и общего пути катаболизма.
Выделяют 2 типа дегидрогеназ, катализирующие реакции дегидрирования, предшествующие ЦПЭ:
1.NAD+ – зависимые дегидрогеназы (предшественник: витамин PP);
! Субстратов NAD+ – зависимых дегидрогеназ большинство.
Примеры: малат, изоцитрат, α-кетоглутарат,
глутаминовая кислота и др.
Кофермент NAD+ не образует прочной постоянной связи с ферментом.
Он соединяется с АЦ фермента уже в ходе реакции и после её завершения уже в восстановленной форме отсоединяется.
2.FAD – зависимые дегидрогеназы (предшественник: витамин B2)
Кофермент FAD прочно связан с активным центром фермента как в окисленной, так и в восстановленной форме.
Включаясь в реакцию, он принимает 2H+ и 2 - и e
переходит в восстановленную форму.
Субстраты FAD-зависимых дегидрогеназ: сукцинат, ацил-KoA, глицерол-3-фосфат (α-глицерофосфат).
Структурная организация цепи переноса электронов (ЦПЭ).
Воснове функционирования ЦПЭ лежит работа 5 основных компонентов, обеспечивающих перенос электронов от NADH и FADH2 на O2.
Вих число входит 3 сложных ферментных комплексов, а также 2 низкомолекулярных переносчика.
Компоненты ЦПЭ:
1)NADH-дегидрогеназа (комплекс I);
2)сукцинатдегидрогеназа (комплекс II);
3)низкомолекулярный переносчик: убихинон (кофермент Q);
4)Убихинолдегидрогеназа (QН2-дегидрогеназа) (комплекс III);
5)низкомолекулярный переносчик (цитохром с);
6)цитохромоксидаза (комплекс IV)
Все компоненты ЦПЭ располагаются во внутренней мембране митохондрий в порядке возрастания окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов).
Самый низкий редокс-потенциал у NADH (-0,32В), а самый высокий редокс-потенциал у кислорода
(+0,82В).
Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от NADH (или FADH2) на O2, при котором происходит выделение энергии на каждом этапе ЦПЭ.
ЦПЭ обеспечивает взаимосвязь (сопряжение) процессов окисления и фосфорилирования АДФ.
Основная роль в переносе электронов принадлежит 3 важнейшим ферментным комплексам (I, III, IV).
Это сложные олигомерные белки, расположенные во внутренней мембране митохондрий.
Они являются интегральными белками.
Компонент ЦПЭ |
Кофермент |
Донор ē |
Акцептор ē |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Окисл. |
Восст. |
|
|
|
|
форма |
форма |
|
|
NADH-дегидрогеназа |
FMN |
FMN·H2 |
NADH + H+ |
Убихинон (Q) |
|
(I ферментный |
|
|
|
|
|
комплекс) |
|
|
|
|
|
Убихинон |
|
|
NADH- |
QH2-дегидрогеназа |
|
Окисл. |
Восст. |
|
|
дегидрогеназа |
(цит. b и c1) |
форма: Q |
форма: QH2 |
|
|
(I комплекс) |
(III комплекс) |
QH2-дегидрогеназа |
Гем |
Гем |
QH2 |
Цитохром c |
|
(убихинолдегидрогеназа) |
(Fe3+) |
(Fe2+) |
|
|
|
III ферментный |
|
|
|
|
|
комплекс, включает |
|
|
|
|
|
цитохромы b и c1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цитохром c |
Гем |
Гем |
QH2- |
Цитохромоксидаза |
|
|
|
(Fe3+) |
(Fe2+) |
дегидрогеназа |
(IV комплекс) |
|
|
|
|
(III комплекс) |
|
Цитохромоксидаза |
Гем |
Гем |
Цитохром c |
O2 |
|
IV ферментный |
(Fe3+), |
(Fe2+) |
|
|
|
комплекс, включает |
Cu2+ |
Cu+ |
|
|
|
цитохромы a и a3 |
|
|
|
|
|
Сукцинатдегидрогеназа |
FAD |
FAD·H2 |
Сукцинат |
Убихинон (Q) |
|
(II ферментный |
|
|
|
|
|
комплекс) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Этапы ЦПЭ:
1 этап: I ферментный комплекс: NADH-дегидрогеназа.
Это крупный интегральный белок внутренней мембраны митохондрий, состоящий из большого числа протомеров.
Коферментом NADH-дегидрогеназы служит FMN. Рабочая часть: рибофлавин (витамин B2).
NADH-дегидрогеназа катализирует перенос 2 атомов H с кофермента (NADH + H+) на FMN, который переходит в форму FMNH2:
NADH + H+ + E-FMN → NAD+ + E-FMNH2
Восстановление кофермента FMN повышает сродство NADH-дегидрогеназы к убихинону.
Убихинон (кофермент Q10) – жирорастворимое витаминоподобное вещество.
Убихинон (Q) способен восстанавливаться и
превращаться в QH2 |
(убихинол), принимает от FMNH2 |
|
- |
|
+ |
2 e . |
Протоны (Н ) при этом поступают в |
межмембранное пространство.
Необходимые для образования QH2 протоны при этом поступают из матрикса.
(На этом этапе ЦПЭ происходит разделение- и H+). e
Таким образом, |
в результате работы NADH- |
|
- |
дегидрогеназы происходит перенос 2 e от NADH на |
|
убихинон. |
|
Сумм. у-е 1 этапа: |
NADH + Н+ + Q → NAD+ + QH2 |
! При этом происходит перенос нескольких протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
2 этап: III Ферментный комплекс QH2-дегидрогеназа (убихинолдегидрогеназа) – сложный олигомерный белок, включающий 2 протомера: цитохром b и цитохром с1.
Цитохромы различаются по структуре полипептидных цепей.
Рабочей частью всех |
цитохромов является гем, |
3+ |
- |
содержащий ион Fe , который может принимать e и превращаться в Fe2+:
Fe3+ + e- → Fe2+.
QH2-дегидрогеназа окисляет убихинол, электроны при этом последовательно поступают сначала на цитохром b, затем – на цитохром с1.
Далее происходит последовательный перенос 2 электронов на небольшой белок-гемопротеин цитохром c.
Сумм. у-е 2 этапа:
QH2 + 2 цит. с (Fe3+) → Q + 2 цит. c (Fe2+) + 2Н+