2 курс / Лекция 20. Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование
.pdf
1
Лекция 20
Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование
Окислительное фосфорилирование – это процесс образования АТФ,
сопряжённый с транспортом электронов по цепи переносчиков от НАДН+Н+ или ФАДН2 к кислороду О2.
У аэробных организмов этот процесс служит главным источником АТФ. Из
36 АТФ, образующихся в процессе окисления глюкозы до СО2 и Н2О, 32 АТФ образуются при окислительном фосфорилировании.
Значение этого процесса в нашей жизни. Если человек сидит на диване, сколько АТФ ему нужно? При массе 70 кг надо 190 кг АТФ в сутки (для того, чтобы сидеть на диване. А если начать думать? ). Или стайеры (бегуны на длинные дистанции)?
А в организме есть всего 50 г АТФ. Т.е. каждая молекула распадается и синтезируется с огромной скоростью много раз. Это вещество, несомненно,
заслуживает уважения. Без доступа кислорода, когда дыхательная цепь не работает, мы можем прожить не более 5 мин.
Электроны, отнятые от промежуточных продуктов цикла Кребса в виде НАДН и ФАДН2, переходят на длинную цепь ферментов, которая называется дыхательной цепью. Конечным акцептором электронов является О2.
У эукариотических клеток ферментные системы дыхательных цепей локализованы во внутренней мембране митохондрий. Они слиты с мембраной в единое целое и работают в форме высокоорганизованных комплексов, или ансамблей. Исключительно важную роль в процессах, обеспечивающих сопряжение энергии, играет сама мембрана (сопрягающие мембраны митохондрий, тилакоидов хлоропластов (последнюю Вы будете изучать в дисциплине Физиология растений)). Обратите внимание на трансмембранный потенциал: т.е. стороны мембраны заряжены по-разному.
2
Переносчики функционируют в строгой последовательности в соответствии с окислительно-восстановительным потенциалом. По мере продвижения электронов по дыхательной цепи окислительно-восстановительный потенциал падает.
Из митохондриальной мембраны переносчики выделяются в виде структурно-обособленных комплексов (I, III, IV). Названия комплексам дают по предыдущему компоненту и последующему.
Кроме этого, есть два внутримембранных переносчика: убихинон и цитохром с, не входящие в комплексы.
Дыхательная цепь
(см. рис. в конце)
3
Такие компоненты дыхательной цепи, как НАДН, ФАД и др. мы уже изучали. Познакомимся с новыми.
Кофермент Q, или убихинон, принимает электроны от комплекса I и
передаёт их дальше. Сам он не входит в комплексы. Соединяет I и II комплексы c
комплексом III.
KoQ, или убихинон
В состав убихинона входит бензохиноновое кольцо. Боковая цепь состоит из остатков изопрена. Перемещается в толще мембраны вверх-вниз. «Уби» – т.к.
существует у всех, везде встречающийся.
Образуется очень длинный гидрофобный хвост, с его помощью он закрепляется в мембране. n различается у разных организмов. У большинства организмов млекопитающих боковая цепь имеет n= 6 или 10.
Окисление–восстановление убихинона происходит следующим образом:
Это единственный компонент дыхательной цепи, не связанный прочно с белком. Он выполняет коллекторную функцию (сборщика фракций), собирая электроны не только от I комплекса (т.е. от НАДН-дегидрогеназ,
4
пиримидиновых), но и от II комплекса ФАДН-дегидрогеназ (флавиновых). И
передаёт электроны комплексу III. Переносит Н2.
Цитохром с-оксидаза
Состоит из цитохрома а и а3. Фермент состоит из 6 субъединиц, каждая из которых содержит один атом меди и геминовую группу. Две субъединицы содержат цитохром а, а четыре – цитохром а3. Мол. масса 240 000 кДа.
Электроны сначала передаются на цитохром а, затем на цитохром а3.
Непосредственно с кислородом взаимодействует только а3.
Механизм окислительного фосфорилирования
Хемио-осмотическая теория Митчелла
Предложена в конце 50-х гг. Очень долго была непризнанной, гипотезой.
Затем Митчеллу вручили Нобелевскую премию.
5
Согласно этой теории, существенным элементом фосфорилирования является внутренняя митохондриальная мембрана. Она непроницаема для протонов водорода Н+. При нарушении целостности мембраны синтез АТФ прекращается.
Исходя из этого, Митчелл предположил, что в процессе переноса электронов вдоль дыхательной цепи (локализованной во внутренней митохондриальной мембране) создаётся градиент концентрации протонов в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны (электрохимический
градиент).
Когда электроны идут по дыхательной цепи, то их потенциал сначала высокий, потом падает. Т.е. здесь мы имеем дело с окислительно-
восстановительными процессами. Надо отследить, как эта энергия далее преобразуется.
6
В процессе переноса электронов по дыхательной цепи из матрикса митохондрий в межмембранное пространство выбрасываются протоны в I, III, IV
комплексах:
Порядок соответствует падению окислительно-восстановительного потенциала. Происходит разделение зарядов, образуется как бы аккумулятор, или
батарейка. Возникает градиент концентрации протонов, или
электрохимический градиент (особая форма запасания энергии, энергия разделившихся зарядов). В межмембранном пространстве происходит закисление,
а в матриксе – защелачивание. Внутренняя часть мембраны заряжается отрицательно, а внешняя – положительно. Эта энергия будет использоваться на синтез АТФ.
Этот градиент протонов будет использоваться АТФ-синтазой. Начинается обратный ток протонов в матрикс.
Таким образом, идёт три превращения:
Энергия окислительно-восстановительных процессов
Электрохимический градиент
7
Синтез макроэргических связей АТФ
Компоненты дыхательной цепи (расположим в соответствующем порядке в мембране.
Мы напишем в строчку, но в мембране они располагаются не в строчку.
Протоны будет выбрасывать сама дыхательная цепь. Расширяем мембрану и помещаем в неё дыхательную цепь.
Механизм переноса электронов мы не рассматриваем, нас интересует только «итого». Так происходит трансформация энергии. На рисунке вверху мембрана заряжается положительно.
1-я протонная помпа – это НАДН-KoQ редуктазный комплекс (комплекс I). 2-я – KoQ Н2 – цитохром с редуктазный комплекс (комплекс III).
3-я – цитохром с оксидазный комплекс (комплекс IV).
Сколько же молекул АТФ образуется?
8
Когда работают комплексы, выброс протонов происходит в трёх пунктах: I, III, IV.
Рассмотрим теоретически. В учебниках приводятся разная информация.
Практически АТФ образуется меньше, часть тратится на транспорт фосфатов и т.д.
Если окисляется НАДН+Н+, то работает комплекс I, III и IV. Образуется
3АТФ.
Когда окисляется ФАДН2, то АТФ образуется меньше. Работают III и IV
комплексы, I не работает, образуется 2 АТФ.
Это одна из трудных тем, поэтому требует особого внимания! Есть даже отдельная наука –
Биоэнергетика.
9
10