Митохондрии – органеллы клетки, функционирование которых для любой знающего человека четко ассоциируется с производством энергии. Действительно в матриксе митохондрий локализованы различные ферменты, необходимые для окисления субстратов.
Кроме того, внутренняя мембрана митохондрий содержит систему белков-переносчиков электронов, которые обеспечивают терминальный этап окисления субстратов и создают условия для синтеза АТФ.

Эта система белков-переносчиков имеет несколько названий: дыхательная цепь, электрон-транспортной цепи, цепь переноса электронов, редокс-цепь (окислительно-восстановительный цепь). Некоторые из этих названий более точно отражают суть процессов, которые происходят при участии этой цепи, но чаще всего используют более простое название – дыхательную цепь.
Доля белков дыхательной цепи существенная и составляет 30-40% общего белка внутренней мембраны митохондрий.
В составе дыхательной цепи находятся:

1) пиридинзалежни дегидрогеназы (содержат НАД +);
2) флавинзалежни дегидрогеназы (ФАД- и ФМН-содержащие);
3) цитохромы (в, с, с1, а а3);
4) зализосирчани белки;
5) свободный кофермент – убихинон.

Именно такая последовательность компонентов не случайна, а обусловлена величинами их окислительно-восстановительного потенциала (Ео). Эта константа количественно характеризует способность окислительно-восстановительной пары, то есть способность окисленной и восстановленной форм определенной соединения обратно отдавать электрон. Чем ниже (негативный) величина ОВП пары, тем выше ее возможности отдавать электроны, то есть окисляться. И наоборот, пара с более высоким (положительным) значением Ео будет принимать электроны и восстанавливаться. Таким образом, электроны переходят от одной ОВ пары к другой в направлении более позитивного Ео. Такой перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии.
Все участники цепи переноса электронов структурово объединены в четыре окислительно-восстановительные системы – мультиферменти комплексы I – IV.

Процесс окисления начинается с переноса протонов и электронов с субстрата, что окисляется, на НАД + или ФАД. Это зависит от природы субстрата. Каждый из комплексов способен катализировать определенную часть полной последовательности реакций цепи.
Эти комплексы являются частью внутренней мембраны митохондрий.

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа – флавопротеинами, содержащий ФМН. Этот фермент окисляет НАДН и передает два атома водорода (2Н + 2е-) на коэнзим Q. Комплекс также содержит FeS-белки. Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа – флавопротеинами, содержащий ФАД. Этот фермент окисляет сукцинат и транспортирует два атома водорода (2Н + 2е-) на коэнзим Q. В составе комплекса присутствуют FeS-белки.
В матриксе митохондрий также содержатся и другие ФАД-зависимые дегидрогеназы, которые окисляют соответствующие субстраты (глицерол-3-фосфат, ацил-КоА) и далее передают атомы водорода на коэнзим Q.

Потоки атомов водорода объединяются на стадии образования восстановленного КоQН2.
Коэнзим Q является последним компонентом цепи, который способен транспортировать не только протоны, но и электроны (2Н + 2е-). Далее протоны (2Н +) переходят с внутренней поверхности мембраны митохондрии на внешнюю, а электроны (2е-) через цепь цитохромов переносятся на кислород.

Комплекс III – убихинондегидрогеназа – это ферментный комплекс, который включает цитохром b, FeS-белок и цитохром с1. Этот комплекс транспортирует электроны 2е- от восстановленного убихинона КоQН2 на цитохром с (небольшой по размерам водорастворимый белок, содержащийся на внешней стороне внутренней мембраны).

Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментный комплекс, состоящий из цитохромов а и а3. Эти ферменты осуществляют последнюю стадию биологического окисления – восстановления электронами (2е-) молекулярного кислорода.
Восстановленный кислород О2- реагирует со свободными протонами (2Н +) матрикса. В результате реакции образуется эндогенная, или метаболическая вода.

Направление переноса протонов и электронов определяют окислительно-восстановительные потенциалы. Для обеспечения спонтанного переноса компоненты окислительно-восстановительного ряда должны располагаться согласно увеличением величин потенциалов.
Редокс-потенциал пары НАД + / НАДН = – 0,32 В, что свидетельствует о высокой способности отдавать электроны. Редокс-потенциал пары кислород / вода = + 0,82 В, что свидетельствует о высокой сродство к электронов.

Общая разница редокс-потенциалов равна 1,14 В. Этому соответствует изменение свободной энергии DG = – 220 кДж / моль. Эта общая величина энергии реакции распределяется на небольшие и более удобные «пакеты», величины которых определяются по разнице окислительно-восстановительных потенциалов соответствующих промежуточных продуктов.

При прохождении по дыхательной цепи пары электронов высвобождается энергия, большая часть которой (60%) рассеивается в виде тепла, а другая аккумулируется в макроергичниз связях АТФ, а именно поглощается в реакции синтеза АТФ-окислительного фосфорилирования.
Это фосфорилирования называется окислительным, так как энергия, необходимая для образования макроэргической связи, генерируется в процессе окисления, то есть движения протонов и электронов по митохондриальной цепи транспорта электронов

Первая такая участок – это НАД ®ФМН, вторая – цитохром b ®цитохром с1, третья – цитохром Аа3 ® ?кисень. Эти участки называют пунктами фосфорилирования. Термин “пункт фосфорилирования” или “участок фосфорилирования” не надо понимать как конкретную стадию, на которой непосредственно происходит образование АТФ. Речь идет о том, что поток электронов через эти три участка цепи каким образом соединенный с образованием АТФ (перепад ООП здесь достаточен для синтеза 1 молекулы АТФ).

При окислении субстратов ФАД-зависимых дегидрогеназ (например, сукцината сукцинатдегидрогеназу) поток электронов от ФАДН2 к кислороду не проходит через первый пункт фосфорилирования. В этих случаях синтезируется на 1 молекулу АТФ менее, есть две. Выход АТФ при окислении различных субстратов и в разных условиях выражают отношением Р / О, которое соответствует количеству молекул неорганического фосфата, включенных в АТФ, в расчете на один атом потребленного (поглощенного) кислорода. Это соотношение называют также коэффициентом фосфорилирования. Таким образом, отношение Р / О при переносе пары электронов от НАДН к кислороду равна 3, а от ФАДН2 к кислороду – 2. При воздействии ингибиторов тканевого дыхания отношение Р / О снижается.

Ι. НАДН-убихинон-оксидоредуктаза. Принимает электроны и протоны от НАДН Н+;
протоны выбрасываются в межмембранное пространство, электроны передаются на КоQ.
ΙΙ. Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза. Принимает электроны и протоны от субстратов в матриксе и передает их на убихинон.
Убихинон - липофильная молекула, хинон, легко перемещается по мембране, принимает электроны и протоны от Ι и ΙΙ комплексов дыхательной цепи и передает электроны на ΙΙΙ комплекс.

Цитохромы, входящие в состав дыхательной цепи, представляют собой железосодержащие белки, простетическая группа которых представлена гемом. Цитохромы могут переносить только электроны за счет атома железа с переменной валентностью.

Ш. Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. Переносит электроны с убихинола на цитохром с. Одновременно за счет энергии, выделившейся при переносе, из матрикса переносятся протоны в межмембранное пространство.
IV. Цитохром с-оксидаза. Переносит электроны с цитохрома с непосредственно на кислород. Цитохромы а и а3, помимо атомов железа, содержат атомы меди, поэтому этот комплекс одновременно осуществляет полное (4-электронное) восстановление молекулы кислорода. Энергия переноса электронов используется на перекачивание в межмембранное пространство протонов.
Как указывалось выше, для синтеза АТФ необходимо затратить около 32 кДж/моль энергии. Для этого достаточной является разность потенциалов между окислителем и восстановителем не менее 0,26 вольта. Чанс, Скулачев установили, что таких участков в дыхательной цепи три. Они соответствуют I, III и IV комплексам и названы пунктами сопряжения или фосфорилирования.
Чтобы понять связь между транспортом электронов по дыхательной цепи и синтезом АТФ, познакомимся с V комплексом внутренней мембраны митохондрий - ферментом, осуществляющим реакцию синтеза АТФ и называемым протонной АТФ-синтазой (см. рис.). Этот ферментативный комплекс состоит из двух частей: Fо (о – олигомицин), который встроен в мембрану и пронизывает ее насквозь, и F1, Последний по форме напоминает шляпку гриба или дверную ручку и обращен в матрикс митохондрии. В изолированном виде F1 не может синтезировать АТФ, но может проводить ее гидролиз до АДФ и фосфата.
Реакция синтеза АТФ, которую проводит V комплекс, носит название окислительного фосфорилирования и описывается уравнением: АДФ + Н3РО4= АТФ + Н2O.
Биохимики долго искали связь - промежуточные макроэргические соединения, которые могли бы служить посредником между процессом тканевого дыхания и окислительным фосфорилированием. Английский биохимик П. Митчелл предположил, что синтез АТФ V комплексом ВММ сопряжен с особым состоянием этой мембраны, и сформулировал хемиоосмотическую теорию окислительного фосфорилирования (Нобелевская премия 1978 г.).
Основные постулаты этой теории:
▪внутренняя митохондриальная мембрана (ВММ) непроницаема для ионов, в частности для Н+и ОН-;
▪за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы дыхательной цепи 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.

Дальнейшие исследования (Дж. Уокер, П. Бойер, Нобелевская премия 1997 г.) подтвердили предположения Митчелла. Ими показано, что энергия движения протонов используется на изменения конформации активного центра АТФ-синтазы, что сопровождается синтезом АТФ, а затем ее высвобождением. Образовавшаяся АТФ с помощью транслоказы перемещается в цитозоль; в ответ в матрикс митохондрии поступают АДФ и фосфат. Всего на процесс синтеза, высвобождения и выброса в цитозоль расходуется 4 протона.
При окислении НАД-зависимых субстратов в ММП выбрасывается 10 протонов (см. схему комплексов дыхательной цепи). Следовательно, в таком случае может быть синтезировано 2,5 моль АТФ (10:4), т. е. коэффициент фосфорилирования Р/О = 2,5. При окислении ФАД-зависимых субстратов в ММП выбрасывается 6 протонов в III и IV пунктах сопряжения. В таком случае может быть синтезировано 1,5 моль АТФ (6:4), т. е. коэффициент фосфорилирования Р/О = 1,5.
Теперь можно вернуться к пониманию энергетической функции цикла Кребса (см. предыдущую лекцию). В ЦТК происходят 4 реакции дегидрирования, причем 3 ДГ являются НАД-зависимыми и одна - ФАД-зависимой. За счет окисления водорода 3-х молекул НАДН.Н+ в дыхательной цепи синтезируется 7,5 моль АТФ, окисление водорода 1 моль ФАДН2 ведет к синтезу 1,5 моль АТФ. Помимо этого, в ЦТК имеет место одна реакция субстратного фосфорилирования. Таким образом, энергетический выход окисления ацетил-КоА в цикле Кребса равен 10 моль АТФ (7,5 + 1,5 + 1). Этой цифрой мы будем пользоваться в дальнейших расчетах.
Регулируется скорость работы дыхательной цепи энергетическим зарядом клетки, т. е. соотношением АТФ/АДФ. АДФ является стимулятором дыхательной цепи, АТФ – аллостерическим ингибитором.
Гипоэнергетические состояния возникают в организме вследствие дефицита АТФ в клетках. Причины их следующие:
алиментарные (голодание, гиповитаминозы РР, В2); гипоксические (нарушения доставки О2 в клетки); митохондриальные (действие ингибиторов и разобщителей).
Среди последних различают, во-первых, ингибиторы дыхательной цепи. Это яды,
которые блокируют перенос электронов через I, II, III, IV комплексы. Ротенон и барбитураты блокируют I комплекс, малонат - II, антимицин А – III, цианиды, угарный газ блокируют перенос электронов на кислород, осуществляемый IV комплексом дыхательной цепи.

Во-вторых, ингибиторы окислительного фосфорилирования (олигомицин), закрывающие протонный канал V комплекса.
В-третьих, разобщители окислительного фосфорилирования. Это вещества, которые подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса электронов дыхательной цепью. Механизм действия разобщителей сводится к тому, что, являясь липофильными веществами, они обладают способностью связывать протоны и переносить их в матрикс, минуя протонный канал Н+ АТФ-синтазы. Выделяющаяся при переносе электронов энергия рассеивается в виде тепла. Различают:
разобщители естественные (продукты перекисного окисления липидов, жирные кислоты с длинной цепью, белки термогенины буровой жировой ткани, большие дозы йодсодержащих гормонов щитовидной железы);
разобщители искусственные (динитрофенол, производные витамина К, некоторые антибиотики).

Главные компоненты дыхательной цепи (рис. 13.2) приведены последовательно в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала в табл. 12.1. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду, изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы к системе составляет 1,1 В.

Главная дыхательная цепь в митохондриях начинается от -зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с дыхательной цепью через -зависимые дегидрогеназы; некоторые из них, имеющие относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал (например, система фумарат/сукцинат, см. табл. 12.1), связаны с флавопротеиновыми дегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи (рис. 13.3).

В последнее время установлено, что в дыхательной цепи имеется еще один переносчик, связывающий флавопротеины с цитохромом b, обладающим самым низким среди цитохромов окислительновосстановительным потенциалом. Этот переносчик, названный убихиноном или коферментом Q (рис. 13.4), в аэробных условиях находится в митохондриях в форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях - в восстановленной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриальных липидов; среди других липидов преобладают

Рис. 13.1. Главные источники восстановительных эквивалентов и их связь с митохондриальной дыхательной цепью. Основным внемитохондриальным источником является NADH, который образуется в ходе гликолиза.

фосфолипиды, являющиеся частью митохондриальной мембраны. Структура кофермента Q сходна со структурой витаминов К и Е. Близкую структуру имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах. Все эти вещества имеют в своей структуре полиизопреноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи (по параметру стехиометрии); это позволяет предположить, что кофермент Q является подвижным компонентом дыхательной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратах дыхательной цепи, является железо-серный белок, FeS (негемовое железо). Он ассоциирован с флавопротеинами (металлофлавопротеинами) и с цитохромом b. Железо и сера, как полагают, участвуют в окислительновосстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному механизму (рис. 13.5).

Современные представления о последовательности главных компонентов дыхательной цепи отражены на рис. 13.3. На электроотрицательном конце цепи дегидрогеназы катализируют перенос электронов от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами служат а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NAD участвуют сложные дегидрогеназные системы, содержащие липоат и FAD. Перенос электронов другими дегидрогеназами, использующими в качестве субстратов L(+)-3-гидроксиацил-СоA, D(-)-3-гидрокси-бутират, пролин, глутамат, малат и изоцитрат, происходит прямо на NAD дыхательной цепи.

Восстановленный NADH в дыхательной цепи в свою очередь окисляется металлофлавопротеином -дегидрогеназой. Этот фермент содержит и FMN и прочно связан с дыхательной цепью. Кофермент Q служит коллектором восстановительных эквивалентов, которые поставляются рядом субстратов через флавопротеиновые дегидрогеназы в дыхательную цепь. К числу этих субстратов относятся сукцинат, холин, глицерол-3-фосфат, саркозин, диметилглицин и ацил-СоА (рис. 13.3). Флавиновым компонентом этих дегидрогеназ является, по-видимому, FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молекулярному кислороду (рис. 13.3). Цитохромы выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного

Рис. 13.2. Транспорт восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи.

Рис. 13.3. Компоненты дыхательной цепи митохондрий. FeS находится в цепи «на -стороне» ФП или Цит b. Цит- цитохром; ЭПФП-электронпереносящий флавопротеин; FeS-железо-серный белок; ФП-флавопротеин; Q-убихинон.

Рис. 13.4. Структура убихинона (Q); п-число изопреноидных звеньев, варьирующее от 6 до 10, т.е.

Рис. 13.5. Железо-серный центр железо-серного белка. -кислотолабильная сера; Рг-апобелок; остаток цистеина. Некоторые железо-серные белки содержат 2 атома железа и 2 атома серы потенциала. Терминальный цитохром (цитохромоксидаза) осуществляет конечную стадию процесса - перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Как уже упоминалось, эта ферментная система содержит медь - непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан . Эта катализируемая цитохромоксидазой реакция является необратимой; она определяет направление движения восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи, с которым сопряжено образование АТР.

В отношении структурной организации дыхательной цепи был выдвинут ряд предположений. Существенно то, что молярные соотношения между компонентами являются почти постоянными. Функционирующие компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану

Рис. 13.6. Предполагаемые участки ингибирования дыхательной цепи специфическими лекарственными веществами, химическими реагентами и антибиотиками. Указаны участки, где предположительно происходит сопряжение с фосфорилированием. BAL-димеркапрол; TTFA - хелатобразующий реагент на железо. Комплекс I - NADH: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II - сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III - убихинол: феррицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV - ферроцитохром с: кислород-оксидоредуктаза. Другие сокращения - такие же, как и на рис. 13.3.

в виде четырех белково-липидных комплексов дыхательной цепи. На этом основании был сделан вывод об определенной пространственной ориентации этих комплексов в мембране. Цитохром с является единственным растворимым цитохромом и наряду с коферментом Q служит относительно мобильным компонентом дыхательной цепи, осуществляющим связь между фиксированными в пространстве комплексами (рис. 13.6).

Введение

Дыхательная цепь - система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов.

ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАДН и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного потенциала за счет последовательного переноса электрона по цепи, сопряженного с перекачкой протонов через мембрану.

У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот - на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всем протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном и происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами.

Дыхательная цепь

Вся полезная энергия, высвобождаемая в процессе окисления жирных кислот и аминокислот, и почти вся энергия окисления углеводов используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Митохондрии содержат несколько катализаторов, образующих дыхательную цепь, которые обеспечивают улавливание и перенос восстановительных эквивалентов, направляя их на реакцию с кислородом, приводящую к образованию воды. Одновременно функционирует механизм улавливания потенциальной свободной энергии с накоплением ее в форме высоко энергетических фосфатов. Митохондрии содержат также ферментные системы, обеспечивающие образование большинства восстановительных эквивалентов; это ферменты -окисления и цикла лимонной кислоты (последний является общим метаболическим путем при окислении всех основных пищевых продуктов). Это взаимоотношения показаны на рис 1.1.

Организация дыхательной цепи в митохондриях

Главные компоненты дыхательной цепи (рис 1.1) приведены последовательно в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду, изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы NAD/NADHк системе О2/Н2О составляет 1,1 В.

Главная дыхательная цепь начинается от NAD-зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с дыхательной цепью через NAD-зависимые дигидрогеназы; некоторые из них, имеющие относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал (например, система фумарат/сукцинат, связаны с флавопротеиновымидегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи (рис. 1.3).

В последнее время установлено, что в дыхательной цепи имеется еще один переносчик, связывающий флавопротеины с цитохромомb, обладающим самым низким среди нитохромовокислительно-восстановительным потенциалом. Этот переносчик названный убихиноном или коферментом Q (рис 1.4), в аэробных условиях находится в митохондриях в форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях в восстановительной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриальных липидов; среди других липидов преобладают фосфолипиды, являющиеся частью митохондриальной мембраны. Структура кофермента Q сходна со структурой витаминов К и Е. Близкую структуру имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах. Все эти вещества имеют в своей структуре полиизопреноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи; это позволяет предположить, что кофермент Q является подвижным компонентом дыхательной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

Рис. 1.1.

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратов дыхательной цепи, является железо-серный блок FeS. Он ассоциирован с флавопротеинами и с цитохромомb. Железо и сера участвуют в оокислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному механизму (рис. 1.5).

Современные представления о последовательности главных компонентов в дыхательной цепи отражены на рис. 1.3. На электроотрицательном конце цепи дегидрогеназы катализируют перенос электронов от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NADучаствеют сложные дегидрогеназные системы, содержащие липоат и FAD. Перенос электронов другими дегидрогеназами, использующими в качестве субстратов L(+)-3-гидроксиацил-СоА, D(-)-3-гидроксибутират, пролин, глутамат, малит, и изоцитрат, происходит прямо на NADдыхательной цепи.

ВосстановленныйNADH в дыхательной цепи в свою очередь окисляется металлофлавопротеиномNADH-дегидрогеназой. Этот фермент содержит FeS и FMNи прочно связан с дыхательной цепью. Кофермент Q служит коллектором восстановительных эквивалентов, которые поставляются рядом субстратов через флавопротеиновыедегидрогеназы в дыхательную цепь. К числу этих субстратов относятся сукцинат, холин, саркозин (рис. 1.3). Флавиновым компонентом этих дегидрогеназ является FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молукелярному кислороду (рис 1.3). Цитохромы выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала.

Рис. 1.2.

Рис. 1.3. Компоненты дыхательной цепи митохондрий FeS находится в цепи «на О2-стороне» ФП или Цитb. Цит - цитохром; ЭПФП - электронпереносящий флавопротеин; FeS - железо-серный белок; ФП - флавопротеин; Q - убихинон.

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Терминальный цитохром аа3 осуществляет конечную стадию процесса перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Ферментная система содержит медь - непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан О2. Эта катализируемая цитохромоксидазой реакция является не обратимой; она определяет направление движения восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи, с которым сопряжено образование АТП.

Рис. 1.6.

Указаны участки, где предположительно происходит сопряжение с фосфорилированием. BAL- димеркапрол; TTFA- хелатообразующий реагент на железо. Комплекс I-NADH; убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II - сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III - убихинол: феррицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV-ферроцитохром с: кислород-оксидоредуктаза.

На этом основании был сделан вывод об определенной пространственной ориентации этих комплексов в мембране. Цитохромсявляется единственным растворимым цитохромом и наряду с коферментом Q служит относительно мобильным компонентом дыхательной цепи, осуществляющим связь между фиксированными в пространстве комплексами (рис. 1.6).

Все биохимические реакции в клетках любого организма протекают с расходованием энергии. Дыхательная цепь - это последовательность специфических структур, которые расположены на внутренней мембране митохондрий и служат для образования АТФ. Аденозинтрифосфат является универсальным источником энергии и способен аккумулировать в себе от 80 до 120 кДж.

Дыхательная цепь электронов - что это такое?

Электроны и протоны играют важную роль в образовании энергии. Они создают разность потенциалов на противоположных сторонах мембраны митохондрий, что порождает направленное движение частиц - ток. Дыхательная цепь (она же ЭТЦ, цепь переноса электронов) является посредником при переносе положительно заряженных частиц в межмембранное пространство и отрицательно заряженных частиц в толще внутренней мембраны митохондрий.

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Этот сложный комплекс видоизменяет энергию направленного движения протонов в энергию биохимических связей. К слову, практически идентичный комплекс находится и в хлоропластах растений.

Комплексы и ферменты дыхательной цепи

Перенос электронов сопровождается биохимическими реакциями в присутствии ферментативного аппарата. Эти многочисленные копии которых образуют большие комплексные структуры, служат посредниками при переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи - это центральные компоненты транспортировки заряженных частиц. Всего во внутренней мембране митохондрий находятся 4 таких образования, а также АТФ-синтаза. Все эти структуры объединены общей целью - перенос электронов по ЭТЦ, перенос протонов водорода в межмембранное пространство и, как следствие,

Комплекс представляет собой скопление белковых молекул, среди которых встречаются ферменты, структурные и сигнальные протеины. Каждый из 4 комплексов выполняет свою, только свойственную ему, функцию. Давайте разберемся, для каких задач в ЭТЦ присутствуют эти структуры.

I комплекс

В переносе электронов в толще мембраны митохондрий главную роль выполняет дыхательная цепь. Реакции отщепления протонов водорода и сопутствующих им электронов - одна из центральных реакций ЭТЦ. Первый комплекс транспортной цепи принимает на себя молекулы НАД*Н+ (у животных) или НАДФ*Н+ (у растений) с последующим отщеплением четырех протонов водорода. Собственно, из-за этой биохимической реакции I комплекс также называется НАДН - дегидрогеназой (по названию центрального фермента).

В состав входят железосерные белки 3 видов, а также флавинмононуклеотиды (ФМН).

II комплекс

Работа данного комплекса не сопряжена с переносом протонов водорода в межмембранное пространство. Основная функция этой структуры заключается в поставке дополнительных электронов в электрон-транспортную цепь посредством окисления сукцината. Центральный фермент комплекса - сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, который катализирует отщепление электронов от янтарной кислоты и перенос на липофильный убихинон.

Поставщиком протонов водорода и электронов ко второму комплексу также является ФАД*Н 2 . Однако КПД флавинадениндинуклеотида меньше, чем у его аналогов - НАД* Н или НАДФ*Н.

В состав II комплекса входят три вида железосерных белков и центральный фермент сукцинат-оксидоредуктаза.

III комплекс

Следующий по счету компонент, ЭТЦ, состоит из цитохромов b 556 , b 560 и c 1 , а также железосерного белка Риске. Работа третьего комплекса сопряжена с переносом двух протонов водорода в межмембранное пространство, и электронов от липофильного убихинона на цитохром С.

Особенностью белка Риске является то, что он растворяется в жире. Другие протеины этой группы, которые встречались в составе комплексов дыхательной цепи, водорастворимы. Эта особенность влияет на положение белковых молекул в толще внутренней мембраны митохондрий.

Третий комплекс функционирует как убихинон-цитохром с-оксидоредуктаза.

IV комплекс

Он же цитохром-оксидантный комплекс, является конечным пунктом в ЭТЦ. Его работа заключается в переносе электрона с цитохрома-с на атомы кислорода. Впоследствии отрицательно заряженные атомы О будут вступать в реакцию с протонами водорода с образованием воды. Главный фермент - цитохром с-кислород-оксидоредуктаза.

В состав четвертого комплекса входят цитохромы a, a 3 и два атома меди. Центральная роль в переносе электрона к кислороду досталась цитохрому a 3 . Взаимодействие этих структур подавляется цианидом азота и угарным газом, что в глобальном смысле приводит к прекращению синтеза АТФ и гибели.

Убихинон

Убихинон - это витаминоподобное вещество, липофильное соединение, которое свободно перемещается в толще мембраны. Дыхательная цепь митохондрий не может обойтись без этой структуры, т. к. она отвечает за транспортировку электронов от комплексов I и II к комплексу III.

Убихинон является производным бензохинона. Эта структура на схемах может обозначаться буквой Q или сокращенно ЛУ (липофильный убихинон). Окисление молекулы приводит к образованию семихинона - сильного окислителя, который потенциально опасен для клетки.

АТФ-синтаза

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Эта грибоподобная структура использует энергию направленного движения частиц (протонов) для преобразования ее в энергию химических связей.

Основной процесс, который встречается на протяжении всей ЭТЦ, - Дыхательная цепь отвечает за перенос электронов в толще мембраны митохондрий и аккумулирование их в матриксе. Одновременно с этим комплексы I, III и IV перекачивают протоны водорода в межмембранное пространство. Разница зарядов на сторонах мембраны приводит к направленному движению протонов через АТФ-синтазу. Так Н+ попадают в матрикс, встречают электроны (которые связаны с кислородом) и образуют нейтральное для клетки вещество - воду.

АТФ-синтаза состоит из F0 и F1 субъединиц, которые вместе образуют роутер молекулы. F1 состоит из трех альфа и трех бета-субъединиц, которые вместе образуют канал. Этот канал имеет в точности такой же диаметр, какой имеют протоны водорода. При прохождении положительно заряженных частиц через АТФ-синтазу головка F 0 молекулы крутится на 360 градусов вокруг своей оси. За это время к АМФ или АДФ (аденозинмоно- и дифосфат) присоединяются фосфорные остатки с помощью в которых заключено большое количество энергии.

АТФ-синтазы встречаются в организме не только в митохондриях. У растений эти комплексы также расположены на мембране вакуолей (тонопласте), а также на тилакоидах хлоропласт.

Также в клетках животных и растений присутствуют АТФ-азы. Они имеют схожую структуру, как и у АТФ-синтаз, однако их действие направлено на отщепление фосфорных остатков с затратой энергии.

Биологический смысл дыхательной цепи

Во-первых, конечным продуктом реакций ЭТЦ является так называемая метаболическая вода (300-400 мл в сутки). Во-вторых, происходит синтез АТФ и запасание энергии в биохимических связях этой молекулы. В сутки синтезируется 40-60 кг аденозинтрифосфата и столько же используется в ферментативных реакциях клетки. Срок жизни одной молекулы АТФ составляет 1 минуту, поэтому дыхательная цепь должна работать слаженно, четко и без ошибок. В противном случае клетка погибнет.

Митохондрии считаются энергетическими станциями любой клетки. Их количество зависит от энергозатрат, которые необходимы для тех или иных функций. Например, в нейронах можно насчитать до 1000 митохондрий, которые часто образуют скопление в так называемой синаптической бляшке.

Отличия дыхательной цепи у растений и животных

У растений дополнительной «энергетической станцией» клетки является хлоропласт. На внутренней мембране этих органелл также найдены АТФ-синтазы, и это является преимуществом перед животными клетками.

Также растения могут выживать в условиях высокой концентрации угарного газа, азота и цианидов за счет цианид-устойчивого пути в ЭТЦ. Дыхательная цепь, таким образом, заканчивается на убихиноне, электроны с которого сразу переносятся на атомы кислорода. В результате синтезируется меньше АТФ, однако растение может пережить неблагоприятные условия. Животные в таких случаях при длительном воздействии погибают.

Можно сравнить КПД НАД, ФАД и цианид-устойчивого пути с помощью показателя образования АТФ при переносе 1 электрона.

с НАД или НАДФ образуется 3 молекулы АТФ;
с ФАД образуется 2 молекулы АТФ;
по цианид-устойчивому пути образуется 1 молекула АТФ.

Эволюционное значение ЭТЦ

Для всех эукариотических организмов одним из основных источников энергии является дыхательная цепь. Биохимия синтеза АТФ в клетке делится на два типа: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. ЭТЦ используется в синтезе энергии второго типа, т. е. за счет окислительно-восстановительных реакций.

У прокариотических организмов АТФ образуется только в процессе субстратного фосфорилирования на стадии гликолиза. Шестиуглеродные сахара (преимущественно глюкоза) вовлекаются в цикл реакций, и на выходе клетка получает 2 молекулы АТФ. Этот тип синтеза энергии считается наиболее примитивным, т. к. у эукариот в процессе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.

Однако это не значит, что современные растения и животные потеряли способность к субстратному фосфорилированию. Просто этот тип синтеза АТФ стал только одним из трех этапов получения энергии в клетке.

Гликолиз у эукариот проходит в цитоплазме клетки. Там находятся все необходимые ферменты, которые смогут расщепить глюкозу до двух молекул с образованием 2 молекул АТФ. Все последующие этапы проходят в матриксе митохондрий. Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, также протекает в митохондриях. Это замкнутая цепь реакций, в результате работы которой синтезируются НАД*Н и ФАД*Н2. Эти молекулы пойдут как расходный материал в ЭТЦ.