Лекция № 15. Тема «тканевое дыхание».

1. Состав и локализация дыхательной цепи:

а/ цитохромы, состав их молекул;

б/ роль убихинона в работе дыхательной цепи.

2. Состав и роль АТФ. (законспектировать из учебника).

3. Окислительное фосфорилирование, его биологическая роль. Отличие от субстратного фосфорилирования.

4. Разобщение окислительного фосфорилирования.

5. Сущность хемиосмотической теории Митчелла.

1. Состав и локализация дыхательной цепи: а/ цитохромы, состав их молекул; б/ роль убихинона в работе дыхательной цепи.

Тканевое дыхание – это окисление органических веществ в организме кислородом с образованием воды и СО_2.

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстановительных реакций, в результате которых происходит последовательный перенос водорода и электронов от субстрата к кислороду.

Тканевое дыхание включает:

1. Отнятие водорода от субстрата (дегидрогенирование);

2. Многоэтапный процесс переноса электронов на кислород;

Перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии; часть этой энергии расходуется в виде тепла, а около 40 % используется на синтез АТФ. Тканевое дыхание и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Ферменты отщепляющие водород от субстрата (дегидрогеназы), находятся в основном в матриксе митохондрий. Процесс тканевого дыхания протекает в митохондриях.

Всю систему реакций и ферментов тканевого дыхания называют дыхательной цепью.

Перенос электронов на кислород происходит при участии системы переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ).

В состав ЦПЭ входят 3 ферментных комплекса:

1. НАДН – дегидрогеназа (І);

2. QН₂ – дегидрогеназа (ІІІ);

3. Цитохромоксидаза (ІV);

4. Низкомолекулярные переносчики: кофермент Q, цитохром с небольшой по размерам белок.

Направление переноса протонов и электронов определяет окислительно-восстановительный потенциал – редокс-потенциал. Все компоненты ЦПЭ расположены в митохондриях в порядке возрастания редокс-потенциала; самый высокий редокс - потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от НАДН на кислород, при котором происходит выделение энергии на каждом этапе ЦПЭ.

Таким образом, работа дыхательной цепи сводится к транспорту электронов от субстрата тканевого дыхания к кислороду, а также протонов, поставляемых субстратом и матриксом митохондрий. При транспорте в связи с падением редокс-потенциала освобождается энергия и в итоге образуется вода.

Все участники дыхательной цепи (ЦПЭ) разделены на четыре окислительно-восстановительные системы (комплексы).

I комплекс дыхательной цепи: НАДН – убихинон – оксидоредуктаза. Это сложный полиферментный комплекс, обладающий большой молекулярной массой. Он содержит более 20 различных белков, коферментом которых является ФМН – флавинмононуклеотид, который способен восстанавливаться, присоединяя два атома водорода (т.е. 2 протона и 2 электрона), отдаваемых пиридиновыми дегидрогеназами (НАД – зависимая дегидрогеназа). ФАД + 2Н ↔ ФАДН₂.

Кроме ФМН-зависимых ферментов, в состав I комплекса входят пять железосерных белков, которые осуществляют разделение потока протонов и электронов. При этом электроны от ФМН · Н₂ переносятся к внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны, здесь они выделяются в межмембранное пространство.

Субстраты (SН₂) проникают в матрикс митохондрии и подвергаются воздействию НАД⁺-зависимых дегидрогеназ:

SН₂ + НАД⁺-ДГ-аза → S + НАДН-ДГ-аза + Н⁺.

Символом SН₂ обозначаются такие субстраты, как пировиноградная кислота, изоцитрат, малат, оксипроизводные жирных кислот, глутаминовая кислота и другие аминокислоты.

Пиридиновые дегидрогеназы способны отнимать протоны и электроны у субстратов реакций, протекающих в матриксе, и передавать их первому комплексу дыхательной цепи (см. схему выше). Пиридиновые дегидрогеназы включают кофермент НАД⁺, в который входит витамин РР (производное пиридина). Окисленная форма (НАД⁺) называется пиридиниевым катионом.

В I комплексе дыхательной цепи непосредственно АТФ не образуется, а высвобождающаяся энергия аккумулируется или рассеивается в виде тепла.

II комплекс дыхательной цепи: сукцинат – убихинон – оксидоредуктаза.

Этот комплекс отличается меньшей молекулярной массой, содержит железосерные белки. С этим комплексом взаимодействует сукцинат, поступающий из матрикса митохондрий, а также жирные кислоты, которые находятся в матриксе. Коферментом комплекса является ФАД – флавинадениндинуклеотид.

В результате включения водорода субстратов через ФАД-зависимые дегидрогеназы (II комплекс) энергия в основном рассеивается в виде тепла, так как падение редокс-потенциала на этом участке дыхательной цепи незначительное (около 0,05 В) и этой энергии недостаточно для синтеза молекулы АТФ.

Убихинон (коэнзим Q) – посредник в передаче водородов. Это небольшая молекула (производное бензохинона) с длинной боковой цепью, способная свободно перемещаться как вдоль, так и поперек мембраны. Перемещаясь, молекулы убихинона захватывают протоны и электроны от комплексов I и II дыхательной цепи, а также протоны из матрикса. При этом убихинон восстанавливается.

КоQ + 2Н⁺ + 2е ↔ КоQН₂

Восстановленная форма (убихинол, КоQН₂) в свою очередь передает 2 электрона III комплексу дыхательной цепи (возможно, с участием какого-то индивидуального переносчика), а протоны при этом высвобождаются в межмембранное пространство.

III комплекс дыхательной цепи: убихинол – цитохром-с – оксидоредуктаза.

IV комплекс дыхательной цепи: цитохром-с – оксидаза.

В состав III и IV комплексов входят сложные белки – цитохромы. Цитохромы b и с₁ объединены в III комплекс дыхательной цепи. Цитохромы а и а₃ образуют IV комплекс дыхательной цепи.

Работа III комплекса заключается в транспорте электронов от убихинола на цитохрос с. Ферменты III комплекса способны захватывать из матрикса протоны и переносить их в межмембранное пространство. При этом существенно падает ОВ потенциал (от –0,04 В цитохрома «b» до +0,25 В цитохрома «с»), а высвободившейся энергии достаточно для синтеза одной молекулы АТФ.

От III комплекса электроны переносятся на IV при помощи очень подвижного фермента цитохромоксидазы (цитохром «с»). В своем составе этот фермент содержит 104 аминокислоты и одну гемподобную структуру. Такая молекула способна активно перемещаться, совершая челночные движения вдоль внешней поверхности мембраны от III к IV комплексу. Цитохром «с» при этом переносит только электроны, попеременно восстанавливаясь и окисляясь. В отличие от других цитохромов цитохромы а и а₃ содержат, помимо железа, также медь, которая меняет свою степень окисления. При этом электроны от цитохрома «с» последовательно переносятся на цитохром «а», а затем на цитохром «а₃».

Конечным акцептором электронов является молекулярный кислород воздуха. Восстановление кислорода происходит на цитохроме «а₃», обращенном к матриксу:

2е + ½ О₂ + 2Н⁺ → Н₂О или

4е + О₂ + 4Н⁺ → 2Н₂О.

Ионы Н⁺ для образования молекул воды берутся из матрикса митохондрии. Редокс-потенциал IV комплекса велик (+0,57 В), его хватит на образование 2-х молекул АТФ. Важнейшей функцией IV комплекса является также активный транспорт протонов, в связи с чем этот дыхательный комплекс ферментов получил название «протонного насоса». Протоны транспортируются в межмембранное пространство митохондрий.