Организация и функционирование дыхательной цепи

Тканевое дыхание - совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, сопровождающихся потреблением молекулярного кислорода и приводящих к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии.

Впервые сущность дыхания объяснил Антуан ЛоранЛавуазье (1777) (слайд 5), обративший внимание на сходство между горением органических веществ вне организма и дыханием животных. В организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ.

Рассмотрим реакцию окисления глюкозы:

В организме этот процесс протекает многостадийно. Углерод превращается в диоксид углерода за счет кислорода самого окисляемого вещества и кислорода воды. В реакции участвуют акцепторы водорода, которые переносят его на кислород. Кислород используется для синтеза воды за счет водорода окисляемых субстратов.

Таким же способом окисляются и другие вещества (жиры, аминокислоты) при их использовании клеткой в качестве источников энергии. Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей - кожа, мышечная ткань (в покое).

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование–синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, происходящийблагодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в процессе клеточного дыхания, т.е. сопряжение дыхания и фосфорилирования.

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 структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.

При рассмотрении механизма оксилительного декарбоксилирования пирувата мы показали, что восстановленный НАД идет в дыхательную цепь (слайд 6).

Восстановленный НАД служит универсальным донором атомов водорода для дыхательной цепи служит (слайд 7). При взаимодействии НАД⁺ и НАДФ⁺ с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода. При этом в молекулу НАД⁺ (НАДФ⁺) включаются 2 электрона и один протон, а второй протон остается в среде (слайд 8).

Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН) (слайд 9). Во флавиновых коферментах активной частью молекул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстановления присоединяются 2 протона и 2 электрона (слайд 10).

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 (слайд 11).

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 KoQ. Комплекс I также 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 счёт окисления сукцината.

Комплекс III (QН₂-дегидрогеназа)включает цитохромы b и с₁ и железосерный белок. Цитохромы- гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Ионы железа в составе гема при получении и отдаче электронов обратимо изменяют свою валентность. 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 a₃, которые, помимо гема, содержат ионы меди. Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O₂ и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.

Цитохром а₃ представляет собой терминальный участок дыхательной цепи- цитохромоксидазу,которая осуществляет 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. Цепь начинается с НАДН, имеющего потенциал –0,32 В, и кончается кислородом с потенциалом +0,82 В. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит но 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 (слайд 12). 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.

Протонная АТФ-синтаза состоит из 9 субъединиц 5 типов (слайд 13).

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

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

Ротор состоит из гамма и эпсилон 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. Возникающая при движении протонов через канал разность электрохимических потенциалов приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую реакцию:

Хемиосмотическая концепцияпревращения энергии в живых клетках была выдвинута П. Митчеллом (слайд 15) в 1960 г. для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи. За развитие исследований в области биоэнергетики П. Митчеллу в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия.

В 1997 г. Нобелевская премия была присуждена П. Бойеру и Дж. Уокеру за выяснение механизма действия протонной АТФ-синтазы.

Они предложили гипотезу, названную «Механизм синтеза АТФ путем связывания и обмена». Согласно этой гипотезе, синтез АТФ из AДФ и неорганического фосфата идет без затраты энергии, а энергия градиента протонов необходима для диссоциации прочносвязанной синтезированной АТФ от каталитической точки F1. Эта диссоциация вызывается конформационным изменением F1 за счет энергии протонного градиента. Накапливается все больше данных, подтверждающих конформационную гипотезу.

В дыхательной цепи есть только 3 участка, где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ. Общая разность окислительно-восстановительных потенциалов между НАДН и О₂ соответствует разности свободных энергий ΔG -220 кДж на пару переносимых электронов. Такого количества энергии хватило бы на синтез 4 молекул АТФ.

Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3, если реакция окисления идет с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через ФАД. 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 (слайд 16).

Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но средняя продолжительность жизни молекулы АТФ меньше 1 мин. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается.

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. 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.

Таким образом, 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.