В короткой дыхательной цепи окисляется субстрат, для которых первичным акцептором электронов является флапротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Вещества короткой цепи: янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат).

Первая реакция окисления:

В последующем ФАДН 2 при участии (FeS*) + КоQ, окисляется:

Восстановленный КоQ как и в длиной дыхательной цепи системой цитохромов:

Эти дыхательные цепи могут быть разделены на структурно-функциональные форагменты, которые называются окислительные комплексы. В длинной цепи выделяют 3 комплекса, а в короткой 2.

1. Располагается между НАДН 2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS комплекс.

2. КоQН 2 -ДГ (цитохром С-редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeS, белки, цС 1

3. Цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цаа 3

4. Сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS, сукцинатДГ

Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определенными веществами – ингибиторами.

Первый комплекс – амитал, барбитураты, ротенол

Второй комплекс – малонат

Третий комплекс – антимицин А

Четвертый комплекс – Н 2 S, цианиды, СО

Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированность протекания реакций образования и реакций использования энергии.

Реакции идущие с высвобождением энергии называется экзоргиническими реакциями с поглощением эндорганическими. Основным экзорганическим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Начальные компоненты НАД окисленный, НАД восстановленный:

Поэтому в ЦПЭ происходит перемещение электронов с большой энергией, в процессе транспорта электронов энергия высвобождается. Та энергия которая может быть использована на выполнение какой-то работы – свободная энергия . В дыхательной цепи энергия рассчитывается.

ΔF = -23*n*Δе ,

где n- количество переносимых электронов на атом О 2 (2е), Δе – перепад ОВП между началом и концом ЦПЭ.

Δе = 0,82 –(-0,32)=1,14В

ΔF = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль

Эта энергия может быть использована организмом на выполнение различных процессов:

• Механических – сокращение мышц
• Химических – на синтез новых веществ
• Осмотических – перенос ионов против градиента концентрации
• Электрических – возникновение потенциалов в нервной системе

Все организмы в зависимости от энергии, которую они используют делят на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемовары – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.

Макроэргические вещества – вещества при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицеринфосфат, ацилы жирных кислот, АТФ (ГТФ, ЦТФ, УЦФ). Среди перечисленных макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекулярном АТФ заключена энергия на 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) и до 12 ккал/моль в физиологических условиях. Состав АТФ: аденил-рибоза-Н 3 РО 4 - Н 3 РО 4 -Н 3 РО 4 . Синтезируется АТФ из АДФ. Распад АТФ является экзоорганическим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи. Присоединение Н 3 РО 4 называется – фосфолирироваием.

Окислительное фосфолирирование

Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 , за счет энергии транспорта по ЦПЭ. Процессы окисления дыхательной цепи и синтеза АТФ тесно сопряжены. При этом ведущим процессом является транспорт электронов, сопутствующим является фосфолирирование. Участки дыхательной цепи на которых происходит синтез АТФ называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (1, 3, 4 – окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (3,4). Если вещество окисляется в дыхательной цепи, то максимум синтезируются три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования. Он показывает сколько молекул Н 3 РО 4 присоединяется к АДФ при переносе двух электронов на один атом кислорода то есть сколько синтезируется молекул АТФ на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент = 3 для короткой 2.

Механизм окислительного фосфолирирования.

Впервые в тридцатые годы акт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком Энгельгардтом. Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфолирирования стала хемоосмотическая теория Митчелла. Согласно ей при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует освободившийся при переносе электрона энергию. В последствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано непроницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н + из матрикса в межмембранное пространство. Переносится 6 – 10 Н+.

Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т. е. атомов водорода) от органических веществ на кислород. В этом процессе участвует ряд промежуточных переносчиков, образующих дыхательную цепь.

Дыхательная цепь (электронотранспортная цепь, цепь переноса электронов ) - система трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.

При взаимодействии НАД + и НАДФ + с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода.

В молекулу НАД + (НАДФ +) включаются 2 электрона и один протон, второй протон остается в среде:

Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН):

Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий.

Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов (рис. 33).

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) включает ФМН и железосерный белок FeS (негемовое железо). Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе. Комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на кофермент Q (KоQ) и перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

KoQ (убихинон ) - производное бензохинона. Это некрупная липофильная молекула. Перемещаясь в липидном слое мембраны, убихинон обеспечивает передачу электронов между комплексами I - III и II - III.

Комплекс II (сукцинат-дегидрогеназа) включает ФАД и железосерный белок . Обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счет окисления сукцината.

Комплекс III (QН 2 -дегидрогеназа) включает цитохромы b и с 1 и железосерный белок . Цитохромы - гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Комплекс III переносит электроны с убихинона на цитохром с и перекачивает
2 протона в межмембранное пространство.

Комплекс IV (цитохром c оксидаза) состоит из цитохромов a и a 3 , которые, помимо гема, содержат ионы меди . Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O 2 и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.

Цитохром а 3 - терминальный участок дыхательной цепи (цитохромоксидаза) : происходит окисление цитохрома с и образование воды. В организме человека митохондриальная дыхательная цепь образует 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).

Компоненты дыхательной цепи митохондрий расположены в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит по градиенту окислительно-восстановительного потенциала и является источником энергии для переноса протонов. Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном направлении - с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент протонная АТФ-синтаза (рис. 34).

АТФ-синтаза состоит из двух частей – статора и ротора.

Статор состоит из трех α-субъединиц и трех β-субъединиц – они участвуют непосредственно в синтезе АТФ из АДФ и фосфата. К ним примыкает δ-субъединица, и все вместе они образуют F1-субъединицу.

Ротор состоит из g- и e-субъединиц.

Статор держится в мембране, а ротор вращается за счет энергии протонов.

В статоре имеется протонный канал (F0). Он состоит из двух полуканалов, которые смещены один относительно другого. Протон проходит одну половину канала, затем на вращающемся роторе попадает во вторую половину канала.

Движущей силой для АТФ-синтазы, катализирующей реакцию

АДФ + Н 3 РО 4 = АТФ + Н 2 О,

является разность электрохимических потенциалов, создаваемая при движении протонов через канал.

П. Митчелл для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи в 1960 г. предложил хемиосмотическую концепцию :в дыхательной цепи есть только 3 участка (комплексы I, III, IV), где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ.

Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшейся АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О . Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3 , если реакция окисления идет с участием НАДН+Н + , и 2 , если окисление субстрата протекает через ФАДН 2 . Реально получаемые величины меньше (2,5 и 1,5), т.е. процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны.

Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в матрикс митохондрии.

На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин., если бы не было ее регенерации. При образовании тромба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соответственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт миокарда ).

Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.

Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК) :

В норме ЭЗК = 0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости ее использования, адениловая система насыщена энергией.

При ЭЗК < 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.

Если ЭЗК = 1, то процессы синтеза АТФ тормозятся и ускоряется ее использование.

Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью. Относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, тогда как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.

Т.о., энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для биохимических и физиологических процессов. Эти превращения энергии и есть энергетический обмен .

Гипоэнергетические состояния подразделяются на:

1. Алиментарные (голодание, авитаминоз).

2. Гипоксические. Связаны:

С нарушением поступления кислорода в кровь. Экзогенная гипоксия - недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе, легочная (дыхательная) –нарушение легочной вентиляции;

С нарушением транспорта кислорода в крови. Гемодинамическая гипоксия связана с нарушениями кровообращения (генерализованные – пороки сердца, кровопотеря; локальные – спазм сосудов, тромбоз); причины гемоглобиновой гипоксии – гипогемоглобинемия, гемоглобинопатии, блокирование гемоглобина ядами.

3. Митохондриальные. Затруднено использование кислорода в клетках в результате нарушения функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.

При полном голодании пищевых резервов организма хватает на несколько недель. При лишении же организма кислорода смерть наступает через 2-3 минуты. Поэтому гипоксия - наиболее частая причина гипоэнергетических состояний, а гипоксия мозга - непосредственная причина смерти. Среди реанимационных процедур ведущее место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов кислородом.

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

Структурная организация цепи тканевого дыхания

Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране михохондрий формируют комплексы:

1. I комплекс (НАДН-КоQН 2 -редуктаза) – принимает электороны от митохондриального НАДН и транспортирует их на КоQ. Протоны транспортируются в межмембранное пространство. Промежуточным акцептором и переносчиком протонов и электронов являются ФМН и железосерные белки. I комплекс разделяет поток электронов и протонов.

2. II комплекс – сукцинат – КоQ - редуктаза – включает ФАД- зависимые дегидрогеназы и железосерные белки. Он транспортирует электроны и протоны от флавинзависимых субстратов на убихинон, с образованием промежуточного ФАДН 2 .

Убихинон легко перемещается по мембране и передает электроны на III комплекс.

3. III комплекс – КоQН 2 - цитохром с - редуктаза – имеет в своем составе цитохромы b и с 1 , а также железосерные белки. Функционирование КоQ с III комплексом приводит к разделению потока протонов и электронов: протоны из матрикса перекачиваются в межмембранное пространство митохондрий, а электроны транспортируются далее по ЦТД.

4. IV комплекс – цитохром а - цитохромоксидаза – содержит цитохромоксидазу и транспортирует электроны на кислород с промежуточного переносчика цитохрома с, который является подвижным компонентом цепи.

Существует 2 разновидности ЦТД:

1. Полная цепь – в нее вступают пиридинзависимые субстраты и предают атомы водорода на НАД-зависимые дегидрогеназы

2. Неполная (укороченная или редуцированная) ЦТД в которой атомы водорода передаются от ФАД-зависимых субстратов, в обход первого комплекса.