Дыхательная цепь: строение и функции. Окислительное фосфорилирование.
Энергию солнечного света способны улавливать зеленые растения и некоторые бактерии, которые преобразуют её в процессе фотосинтеза в химическую энергию, используемую для образования химических связей между атомами углерода, водорода и кислорода. Световая энергия запасается фотосинтезирующими организмами в виде энергии химических связей во вновь образующихся молекулах углевода и др. органических соединениях, которая, однако, не может использована для совершения работы до тех пор, пока эти химические связи не будут разорваны. Поэтому углеводы и др. соединения можно рассматривать как формы запасания поглощенной энергии Солнца, т.е. как биологическое топливо.
при не обратимых процессах энтропия системы и окружающей среды увеличивается системы стремятся к неупорядоченности ЭНТРОПИЯ ( S) от греч. entropia -- поворот, превращение
Энтропия растет! мера беспорядка (случайности) в системе ( S )
Пищевые вещества Метаболиты Катаболизм Анаболизм Энергия Образование конечных продуктов обмена (углекислого газа и воды, мочевина) Синтез структурно - функцио- нальных компонентов клетки Функциональная активность Энергия ?????
Fritz Albert Lipmann (1899-1986) “ ATP is energy-transfering molecule in the cell” (1941 ) Karl Lohmann (189 8 -19 7 8) – the discoverer of ATP (1929)
В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ: АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O. Фосфорилирование АДФ возможно тремя способами: 1-субстратное фосфорилирование, 2-окислительное фосфорилирование, 3- фотофосфорилирование в процессе фотосинтеза у растени й. Цикл АТФ ↔ АДФ + Ф Реакция фосфорилирования
Q – это энергия окисления субстрата - субстратное фосфорилирование: синтез АТФ с использованием энергии S ( макроэрга) Макроэргические соединения имеют макроэргические связи, т. е. связи, при гидролитическом расщеплении которых высвобождается более 30 кДж/моль (или 7 ккал/моль) энергии.
Субстратное фосфорилирование- в процессе гликолиза в ходе фосфоглицераткиназной реакции и пируваткиназной реакции, в ЦТК в реакции катализируемой сукцинил-КоА-синтазой с участием нуклеозиддифосфаткиназы( реакции идут без участия кислорода). 2. Получение АТФ из фосфокреатина (это аварийный запас, который можно быстро использовать для получения АТФ и спасти жизнь), но запасы фосфокреатина расходуются очень быстро – за несколько секунд. 3. Образование АТФ из АДФ под действием аденилаткиназы.
- нуклеозидтрифосфаты, - нуклеозиддифосфаты, - креатинфосфат, - 1,3-дифосфоглицерат, - ацетил-КоА - фосфоенолпируват и др.
Они катализируются оксидоредуктазами и протекают при участии внутренней мембраны митохондрий. В митохондриях поток электронов устремляется от субстрата, содержащего водород, к молекулярному кислороду. Реакция соединения водорода с кислородом сопровождается выделением большого количества тепла: Н2+1/2О2 2Н2О+Тепло(239кДж/моль) В клетке такая реакция протекать не может и отличием биологического окисления является, во первых постепенное, поэтапное выделение энергии, во вторых, окисляется не молекулярный водород, а в составе субстратов ( SH2 ), в третьих энергия высвобождается не только в виде тепла, но и аккумулируется в виде электрохимического потенциала.
Синтез АТФ в организме сопряжен с реакцией образования воды Этот процесс происходит многостадийно с помощью многих участников, которые называются дыхательной цепью (ДЦ). Тканевое дыхание – окисление S кислородом воздуха до СО 2 и Н 2 О.
Выделение энергии происходит постепенно, порциями. Дыхательная цепь Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
Митохондриальная цепь переноса электронов
Принцип работы дыхательной цепи: разделение потоков протонов и электронов, поступающих из матрикса. Электроны передаются на конечный акцептор — кислород; протоны выбрасываются в митохондриальное межмембранное пространство (ММП).
Место того или иного переносчика в ДЦ определяется величиной редокс-потенциала
Редокс-потенциал (Е о ) численно равен электрондвижущей силе в Вольтах, возникающей между растворами окислителя и восстановителя (концентрации 1М, рН = 7,0, температура 25 С). Чем отрицательнее Е о системы, тем выше ее способность отдавать электроны (восстановители). Чем положительнее редокс-потенциал, тем выше способность вещества присоединять электроны ( окислители ).
Дальнейшие исследования ( Дж. Уокер, П. Бойер, Нобелевская премия 1997 г.) подтвердили предположения Митчелла.
Перенос протонов и электронов от субстратов на ФАД (ФМН): Связана с наличием в структуре НАД витамина В 5 (РР)
Перенос протонов и электронов от НАДН 2 на убихинон Связана с наличием в структуре ФАД (ФМН) витамина В 2
Перенос электронов от ФАДН 2 на цитохромы, а протонов – в межмембранное пространство.
Цитохромы b, c 1, c, a, a 3 Цит. (Fe 3+ ) + е → Цит. ( Fe 2+ ) Коензим Q (убихинон ) Компоненты ДЦ R R железосерные белки ( FeS -белки) ; цитохромы и железосерные белки переносят только электроны. Железосерные белки ассоциированы с ФМН, ФАД и цитохромом b.
- гемсодержащие ферменты, осуществляют перенос электронов за счет изменения степени окисления атома железа в составе гема. Fe 3+ + e - ↔ Fe 2+ Аутооксидабельность – способность передавать электроны непосредственно на кислород. Единственным аутооксидабельным является цитохром аа 3 – цитохромоксидаза. Цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц, каждая из которых содержит гем и атом меди. Ионы меди также могут переносить электроны: Cu 2 + + e - ↔ Cu +
I комплекс дыхательной цепи – НАДН-дегидрогеназа – ФМН-содержащий фермент. В комплекс входит также группа железо-серных белков. Субстрат : НАДН+Н +
II комплекс дых. цепи – ФАД-содержащий фермент - сукцинатдегидрогеназа Субстрат : сукцинат (янтарная кислота)
Убихинон, принимая электроны и протоны, переходит в восстановленное состояние (Ко Q Н 2 ) УБИХИНОН (Коэнзим Q )
После Ко Q в дыхательной цепи расположена группа цитохромов – гем-содержащих ферментов, обеспечивающих транспорт электронов. Различают несколько классов цитохромов: А, В, С, образующих организованные комплексы.
III комплекс дыхательной цепи – цитохромС-редуктаза. В состав комплекса входит цитохромы В + С 1, а так же группа железо-серных белков. Ко Q Н 2 е - н + В + С 1 Железо-серные белки III комплекс ДЦ е - Цитохром С
IV комплекс дыхательной цепи – цитохромоксидаза (ЦХО). Цитохромоксидаза представляет комплекс цитохрома А + А 3, содержащий в своем составе Cu. Цитохром С е - А + А 3 Cu IV комплекс ДЦ О 2 н + е - н + Н 2 О
Изменение свободной энергии при переносе электронов по ЦПЭ. E-FMN - комплекс I; E-FAD - комплекс II; b-с1 - комплекс III; aa3 - комплекс IV
3Х7,3=21,9 ккал =3АТФ ΔG°’=52,6 ккал
Хемиоосмотическая теория окислительного фосфорилирования (Нобелевская премия 1978 г.).
Хемиосмотическая теория П. Митчелла
Основные постулаты хемиоосмотической теории: внутренняя митохондриальная мембрана (ВММ) непроницаема для ионов за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы ДЦ из матрикса «выкачиваются» протоны; возникающий на мембране электрохимический потенциал (ЭХП) и есть промежуточная форма запасания энергии; возвращение (транслокация) протонов в матрикс митохондрии через протонный канал V комплекса за счет ЭХП является движущей силой синтеза АТФ.
Д ыхание и фосфорилирование связаны между собой через электрохимический потенциал Н + на митохондриальной мембране. Согласно Митчеллу, первичным событием в окислительном фосфорилировании является транслокация H + на наружную сторону внутренней митохондриальной мембраны, осуществляемую за счет окисления в дыхательной цепи. Процесс протекает следующим образом:
ДГГ НАДН 2 отдает пару ē на ДГГ ФАД, что позволяет ФАД принять пару протонов (Н + ) из матрикса с образованием ФАДН 2. Пара Н +, принадлежащих НАД выталкивается на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны. ДГГ ФАДН 2 выталкивает пару Н + на наружную поверхность внутренней мембраны, а пару ē отдает на убихинон (Ух), который при этом получает способность присоединить пару Н + из матрикса с образованием УхН 2. УхН 2 выталкивает пару Н + в межмембранное пространство, а ē переносятся через цитохромы на О 2 в матриксе. В итоге создается разница потенциалов и разница рН между поверхностями внутренней мембраны.
Разница потенциалов и разница рН обеспечивает движение протонов через протонный канал в матрикс. Протонный канал открывается, когда разность потенциалов превышает 0,2 В. Движение протонов через протонный канал ведет к активации АТФ-синтетазы и синтезу АТФ из АДФ и Н 3 РО 4. Транспорт АТФ из матрикса в цитоплазму обеспечивается специфическим переносчиком – транслоказой. Этот фермент катализирует перенос 1 молекулы АТФ с одновременным переносом в обратном направлении одной молекулы АДФ.
Таким образом, тканевое дыхание заряжает митохондриальную мембрану, а окислительное фосфорилирование разряжает ее, используя энергию мембранного потенциала для синтеза АТФ.
Пункты сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Синтез 1 моль АТФ ≈ 32 кДж/моль. Е о не менее 0,26 В. I IV III
Эффективность окислительного фосфорилирования оценивают по коэффициенту фосфорилирования Р/О : количество молекул Ф, использованных для синтеза АТФ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Р/О ≤ 3 Для НАД-зависимых S - P / O =3 ; Для ФАД зависимых S - Р/О = 2
Синтез АТФ – окислительное фосфорилирование - представляет процесс одновременного потребления О 2, АДФ и Ф н. В пределах ДЦ этот процесс происходит трижды на уровне I, III и IV комплексов.
Функции дыхательной цепи : ● Транспорт электронов на О 2 – тканевое дыхание. ● Преобразование энергии транспорта электронов в энергию макроэргических связей АТФ.
Синтез АТФ происходит при участии фермента- АТФ-синтетазы (протонная АТФаза)
Коэффициент фосфорилирования (Р/О)- количество молекул неорганического фосфата, которое включается в АТФ в расчете на 1 атом кислорода При окислении НАДН•Н + может быть синтезировано 3 моля АТФ, то есть коэффициент фосфорилирования (Р/О)=3 При окислении ФАДН 2 может быть синтезировано 2 моля АТФ, то есть коэффициент фосфорилирования (Р/О)=2
Регуляция тканевого дыхания (транспорта электронов): ● Регуляция за счет концентрации О 2 ● Дыхательный контроль (зависимость митохондриального окисления от концентрации АДФ) ● Регуляция за счет ингибиторов, прерывающих поток электронов по дыхательной цепи.
Некоторые представители ингибиторов транспорта электронов
Регуляция синтеза АТФ: ● Регуляция протонного потока за счет разобщителей : - Протонофоры (динитрофенол, жирные кислоты, тироксин, катехоламины, термогенин) ионофоры (валиномицин, грамицидин, ионы Са2+), ● Регуляция за счет влияния на протонную АТФазу: - Ингибиторы фермента (олигомицин) - Детергенты (блокада протонного канала внутри фермента) (желчные кислоты, тритон и т.д.).
-субстраты цикла Кребса, -отношение [ATP]/[ADP] (обратимость АТФ-синтетазной реакции), -кислород (гипоксия), -физиологические разобщители (жирные кислоты, лизофосфолипиды, гормоны, ионы Са2+, термогенин). Физиологические регуляторы окислительного фосфорилирования:
Особенности энергетического обмена у ребенка обусловлены его интенсивным ростом, биосинтетической деятельностью, функциональной незрелостью ряда регуляторных систем и формирующейся двигательной активностью. Наибольшие отличия энергетического обмена свойственны новорожденным. Обмен энергии на единицу массы тела у новорожденных детей значительно (в 3 раза) выше, чем у взрослых. 2) У грудных детей значительная часть энергозатрат покрывается за счет липидов, а не углеводов, как у взрослых. 3) В течение 1-го года жизни происходит адаптация ребенка к легочному типу снабжения организма кислородом: анаэробные процессы окисления сменяются аэробными. 4) Наличие у новорожденных специфические механизмов термогенеза- «несократительный»термогенез, химическая терморегуляция (термогенин). 5) Формирование системы двигательного аппарата также нуждается в значительных энергетических затратах.
Митохондриальные болезни – это мультисистемные заболевания, причиной или главным элементом патогенеза которых является нарушение функций митохондрий тканей, вызванных мутациями митохондриальной или ядерной ДНК. В последние годы достигнут большой прогресс в понимании сущности этой большой группы расстройств, что привело к разработке путей их лечения, хотя в большинстве случаев эти заболевания не распознаются и не лечатся
Нервная система припадки, тремор, за- держка развития, глу- хота, деменция, инсу- льты в возрасте до 40 лет, нарушения равно- весия, проблемы с пе- риферическими нервами Сердце кардиомиопатии (сердечная недо- статочность, нару- шения проводи- миости Печень печеночная недоста- точность, Почки Синдром Фанкони (потеря эссенциальных метаболитов с мочой) Орган зрения птоз век, наруж- ная офтальмо- плегия, слепота, пигментный ретинит Скелетная мускулатура мышечная сла- бость, судороги Пищеваритель- ный тракт Кислотный реф- люкс, хронич. диа- рея, непроходи- мость кишечника Поджелудочная железа сахарный диабет
Первичные (врожденные) митохондриальные болезни могут быть обусловлены мутациями либо в ядерном, либо в митохондриальном геноме. Ядерные мутации могут искажать гены, кодирующие ферменты или структурные белки митохондрий, транслоказы, митохондриальный импорт белков, а также межгенную сигнализацию
Вторичные (приобретенные) митохондриопатии 1. Специфический дефицит метаболических интермедиатов или кофакторов (тиаминпирофосфата, липоамида, флавиновых и пиридиновых нуклеотидов, пантотената, коэнзима Q, карнитина и др.), а также снижение активности ферментов дыхательной цепи негенетического характера; 2. Эндокринопатии (гипоталамо-гипофизарная патология, патология щитовидной железы, поджелудочной железы, надпочечников) могут служить провоцирующим фактором развития митохондриопатий; 3. Ишемия-реперфузия. Гипоксия и ингибиторы митохондриального дыхания приводят к таким же изменениям метаболизма и функции тканей, которые имеют место при первичных митохондриопатиях [36]. Наиболее чувствительными к недостаточному снабжению кислородом являются строго аэробные ткани, такие как мозг, миокард или почка; 4. Химические, лекарственные и бактериальные токсины ; 5. Онкогенез ; 6. Старение.
состояние, при котором потребление кислорода и окисление субстратов продолжаются, а синтез АТФ невозможен. Наблюдается при наличии в клетке веществ, способных переносить протоны через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент концентрации рН, исчезает движущая сила фосфорилирования. При этом энергия переноса протонов и электронов рассеивается в виде тепла, поэтому температура тела повышается.
1) физиологическое (холод, тироксин, кортикостероиды, женские половые гормоны) 2) медикаментозное (дикумарин) 3) токсическое (динитрофенол)
а) ингибиторы электронного транспорта – это вещества, которые взаимодействуют с ферментами дыхательной цепи и тем самым нарушают перенос электронов. Они являются клеточными токсинами, вызывают тканевую гипоксию. К ним относятся: Барбитураты и ротенон (инсектицид) – блокируют НАД-ДГГ Малоновая кислота – блокируют ФАД-ДГГ Антимицин (антибиотик) – блокирует дыхательную цепь на уровне цитохром в – цитохром с. Цианиды (ионы СN-), угарный газ (СО), сероводород (Н 2 S ) – блокируют цитохромоксидазу и перенос электронов на кислород. б) ингибиторы окислительного фосфорилирования Олигомицин (антибиотик) – угнетает работу АТФ-синтазы (F о -фрагмент).
Протекает в мембранах ЭПР (микросомах) клеток печени и коры надпочечников. Не дает клетке энергии Кислород непосредственно включается в субстрат с образованием новой гидроксильной группы в реакциях: 1) Гидроксилирования (пролина и лизина в синтезе коллагена, желчных кислот, холестерина, стероидных гормонов) 2) Обезвреживания токсичных веществ (эндогенных ядов, лекарственных препаратов и др.).
Для протекания реакций необходимы: Ферменты монооксигеназы или диоксигеназы НАДФ Цитохром Р-450 ФАД Белок адренодоксин (содержит в своем составе негемовое железо ( Fe- Б)
Это продукты неполного восстановления кислорода, содержащие неспаренные электроны. АФК являются свободными радикалами. Свободные радикалы – агрессивные молекулы, способные атаковать другие молекулы с целью забрать недостающий электрон. К активным формам кислорода относят: ОН• - гидроксильный радикал; О 2 - - супероксидный анион; Н 2 О 2 - пероксид водорода. Полное восстановление кислорода до воды требует 4-х электронов и катализируется цитохромоксидазой. О 2 + 4 е - + 4 Н + → 2 Н 2 О Но присоединение электронов происходит поэтапно и при этом образуются АФК. О 2 + е - → O 2 - (супероксидный радикал) O 2 - + е - + 2H + → H 2 O 2 H 2 O 2 + е - + H + → H 2 O + HO• (гидроперекисный радикал) HO• + е - + H + → H 2 O
1) Супероксиддисмутаза (превращает супероксидные радикалы в менее токсичную перекись водорода); 2О 2 - + 2Н + → Н 2 О 2 + О 2 2) Каталаза 2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 3) Пероксидаза Н 2 О 2 + R Н 2 → 2Н 2 О + R Роль каталазы и пероксидазы – разрушение перекиси водорода.
