ЛЕКЦИЯ по БХ

для студентов _2 __ курса лечебного факультета

Тема Биологическое окисление 2. Тканевое дыхание. Окислительное фосфорилирование.

Время 90 мин.

Учебные и воспитательные цели:

Дать представление:

О строении дыхательной цепи (ДЦ), ингибиторах; механизмах работы ДЦ; пунктах сопряжения, величинах ОВП компонентов ДЦ. О коэффициенте Р/О, его значении.

О свободном и разобщенном дыхании. О теориях сопряжения ОФ.

О механизме генерации Н + .

О структуре и функциях протонной АТФ-азы; о механизме разобщения.

Об окислительдном фосфорилировании (pH и ); о механизмах термогенеза, роли бурой жировой ткани.

О роли энергетического обмена; Путях утилизации Н + и АТФ. О прикладных аспектах биоэнергетики.

О путях потребления O 2 в организме (митохондриальный, микросомальный, перекисный). О характеристике микросомальной ДЦ, в сравнении с митохондриальной. О характеристике цитохромаP 450 , функции.

О перекисном окисление. О механизме образования активных форм кислорода O 2 - , O 2 , O 2 . О роли перекисных процессов в норме и при патологии. О перекисном окислении липидов (ПОЛ): (НЭЖК → R  → диеновые коньюгаты → гидроперекиси → МДА). О способах оценки активности ПОЛ.

Об антиоксидантной защите: ферментной и неферментной. О характеристиках СОД, каталазы, глютатионпероксидазы, GSH-редуктазы, NADPH-воспроизводящих систем. О неферментных АОС: витаминах Е, А, С, каротиноидах, гистидине, кортикостероидах, билирубине, мочевине и др.

ЛИТЕРАТУРА

Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990. С. 213–220; 1998. С. 305–317.

Николаев А. Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989. С. 199–221.

Дополнительная

Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1993. С. 403–438.

Марри Р. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 111–139.

Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 2. С. 403–438, 508–550.

Албертс Б. и др., Молекулярнаябиология клетки. М.: Мир, 1994.Т. 1. С. 430–459.

Скулачев В.П. Энергетика биологическихмембран. М.: Наука. 1989.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. Мультимедийная презентация.

РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ

	Перечень учебных вопросов	Количество выделяемого времени в минутах
	Строение дыхательной цепи (ДЦ), ее комплексы, ингибиторы. Механизм работы ДЦ. Пункты сопряжения, величина ОВП компонентов ДЦ. Коэффициент Р/О, его значение.
	Свободное и разобщенное дыхание. Теории сопряжения ОФ (химическая, конформационная, хемиосмотическая – П. Митчелла).
	Механизм генерации Н + , его компоненты, стехиометрия Н + /е.
	Структура и функция протонной АТФ-азы. Механизм разобщения.
	ОФ (снятие pH и ). Механизмы термогенеза. Роль бурой жировой ткани.
	Основополагающая роль энергетического обмена. Пути утилизации Н + и АТФ. Прикладные аспекты биоэнергетики.
	Пути потребления O 2 в организме (митохондриальный, микросомальный, перекисный). Характеристика микросомальной ДЦ, ее сравнение с митохондриальной. Характеристика цитохромов P 450 , их функция.
	Перекисное окисление. Механизм образования активных форм кислорода O 2 - , O 2 , O 2 . Роль перекисных процессов в норме и при патологии. Общее представление о ПОЛ (НЭЖК → R  → диеновые коньюгаты → гидроперекиси → МДА). Способы оценки активности ПОЛ.
	Антиоксидантная защита: ферментная и неферментная. Характеристика СОД, каталазы, глютатионпероксидазы, GSH-редуктазы, NADPH-воспроизводящих систем. Неферментные АОС: витамины Е, А, С, каротиноиды, гистидин, кортикостероиды, билирубин, мочевина и др.

Всего 90 мин

1. Строение дыхательной цепи (дц), комплексы, ингибиторы. Механизм работы. Пункты сопряжения, величина овп компонентов дц. Коэффициент р/о, его значение.

Дыхательная цепь.

Поэтапное «контролируемое сгорание» достигается путём промежуточного включения дыхательных ферментов, обладающих различным редокс-потенциалом. Редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) определяет направление переноса протонов и электронов ферментами дыхательной цепи (рис.1).

Редокс-потенциал выражается значением электродвижущей силы (в вольтах ), которая возникает в растворе между окислителем и восстановителем, присутствующих в концентрации 1,0 моль/л при 25˚ С (при рН=7,0 оба находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя). При рН=7,0 редокс-потенциал системы Н 2 /2Н + +2ē равен – 0,42 v. Знак – означает, что данная редокс-пара легко отдаёт электроны, т.е. играет роль восстановителя, знак + указывает на способность редокс-пары принимать электроны, т.е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАДН∙Н + / НАД + равен – 0,32 v, что говорит о высокой её способности отдавать электроны, а окислительно-восстановительная пара ½О 2 /Н 2 О имеет наибольшую положительную величину +0,81 v, т.е. кислород обладает наивысшей способностью принимать электроны.

В процессе окисления АцКоА в ЦТК, восстановленные формы НАДН2 и ФАДН2 поступают в ДЦ, где энергия электронов и протонов трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ДЦ - совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электороны и протоны с субстрата на кислород.

Принципы функционирования ДЦ основаны на 1-ом и 2-ом законах термодинамики.

Движущей силой ДЦ является разность ОВП. Суммарная разность всей ДЦ составляет 1,1 В. Пункты фосфорилирования должны иметь перепад ОВП = 0,25 - 0,3 В.

1. Пара НАД-Н имеет ОВП = 0,32 В.

2. Пара Q-b - / - /- - 0 В.

3. O2 - имеет +0,82 В.

ДЦ локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет 2 пути введения электронов и протонов или 2 входа; ДЦ образует 4 комплекса.

1 вход: НАД-зависимый (поступают электроны и протоны со всех НАД-зависимых реакций).

2 вход: ФАД-зависимый

НАД ---->ФП

Q --->b--->c 1 --->c--->aa 3 ---->1/2O 2

Янтарная кислота ---->ФП

Дыхательная цепь – форма реализации биологического окисления .

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих во внутренней митохондриальной мембране с участием ферментов дыхательной цепи. Дыхательная цепь имеет чёткую структурную организацию, её компоненты формируют дыхательные комплексы , порядок расположения которых зависит от величины их редокс-потенциала (рис.5.1). Количество дыхательных цепей в отдельно взятой митохондрии из клеток разных тканей неодинаково: в печени – 5000, в сердце – около 20 000, следовательно, миокардиоциты отличаются более интенсивным дыханием, чем гепатоциты.

Рис. 5.1 Порядок расположения комплексов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий

Прежде чем остановиться на характеристике каждого из компонентов дыхательной цепи, познакомимся с субстратами тканевого дыхания.

Субстраты тканевого дыхания подразделяются на 2 группы:

НАД-зависимые – субстраты цикла Кребса изоцитрат, α-кетоглутарат и малат. Это также пируват, гидроксибутират и β–гидрокси-ацил~КоА, глутамат и некоторые другие аминокислоты. Водород от НАД-зависимых субстратов c помощью НАД-зависимых дегидрогеназ передаётся на I-й комплекс дыхательной цепи.

ФАД-зависимые – сукцинат, глицерол-3-фосфат, ацил~КоА и некоторые другие. Водород от ФАД-зависимых субстратов передаётся на II-й комплекс дыхательной цепи.

При дегидрировании субстратов НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется восстановленная форма НАД (НАДH∙H +).

Указана окисленная форма кофермента НАД + . Этот кофермент является динуклеотидом (н икотинамид -а денин -д инуклеотид ): в состав одного нуклеотида входит витамин РР (никотинамид), другой представляет собой АМФ. Способность кофермента играть роль промежуточного переносчика водородов связана с наличием в его структуре витамина РР. В электронно-протонной форме процесс обратимого гидрирования-дегидрирования может быть представлен уравнением (R- остальная часть кофермента):

НАДH∙H + может образовываться не только в митохондриях, но и в цитозоле клетки при протекании определённых процессов метаболизма. Однако цитоплазматический кофермент не может проникать в митохондрии. Водород восстановленного кофермента должен быть сначала перенесен на субстраты, которые могут проникать в митохондрии. Такими «Н 2 -переносящими субстратами» являются:

Оксалацетат → малат

Ацетоацетат → β-гидроксибутират

Дигидроксиацетон фосфат → глицерол-3-фосфат

НАДH∙H + затем окисляется 1-м комплексом дыхательной цепи. Рассмотрим работу этого комплекса.

I – НАДH∙H + -убихинон-оксидодуктаза.

Первый комплекс является самым большим в дыхательной цепи (представлен 23-30 субъединицами). Он катализирует перенос водорода от НАДH∙H + на убихинон (рис. 5.1 и рис. 5.3). В его состав входят кофермент ФМН (флавинмононуклеотид) и железосерные белки, содержащие негеминовое железо. Функция этих белков заключается в разделении потока протонов и электронов: электроны переносятся от ФМН∙Н 2 к внутренней поверхности внутренней мембраны митохндрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны и затем высвобождаются в митохондриальный метрикс.

При транспорте протонов и электронов редокс-потенциал первого комплекса снижается на 0,38 v, что вполне достаточно для синтеза АТФ. Однако в самом комплексе АТФ не образуется, а высвобождающаяся в результате работы комплекса энергия аккумулируется (см. ниже образование электро-химического потенциала) и частично рассеивается в виде тепла.

По своему строению ФМН – мононуклеотид, в котором азотистое основание представлено изоаллоксазиновым ядром рибофлавина, а пентозой является рибитол (иными словами, ФМН – это фосфорилированная форма витамина В 2).

Функция ФМН заключается в акцепции 2 атомов водорода от НАДH∙H + и передачи их железосерным белкам. Водород (2 электрона и 2 протона) присоединяется к атомам азота изоаллоксазинового кольца, при этом происходит внутримолекулярная перегруппировка двойных связей с образованием промежуточного семихинона – соединения свободнорадикальной природы (на схеме представлено суммарное уравнение реакции, где R – остальная часть молекулы)

II комплекс цепи тканевого дыхания – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза.

Этот комплекс имеет меньшую молекулярную массу и также содержит железосерные белки. Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза катализирует перенос водорода от сукцината на убихинон. В состав комплекса входит кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид) и фермент сукцинатдегидрогеназа, который является одновременно ферментом цикла Кребса. Ацил~ S КоА, 3-фосфо-глицерат и диоксиацетон фосфат также являются ФАД-зависимыми субстратами тканевого дыхания и с помощью этого кофермента контактируют со вторым комплексом.

Рис. 5.3 Первый комплекс дыхательной цепи

Энергия включения водорода субстратов во II комплекс цепи тканевого дыхания рассеивается в основном в виде тепла, так как на этом участке цепи редокс-потенциал снижается незначительно и этой энергии для синтеза АТФ мало.

Процесс восстановления ФАД протекает аналогично таковому ФМН.

Кофермент Q или убихинон - гидрофобное соединение, является компонентом клеточных мембран, содержится в большой концентрации, относится к группе витаминов. относится к группе витаминов.

Убихинон (коэнзим Q). Убихинон – небольшая липофильная молекула, по химическому строению представляющая собой бензохинон с длинной боковой цепью (число изопреноидных единиц колеблется от 6 у бактерий до 10 у млекопитающих).

В дыхательной цепи коэнзим Q является своеобразным депо (пулом) водорода, который он получает от различных флавопротеинов. Липофильный характер молекулы убихинона обуславливает его способность свободно перемещаться в липидной фазе митохондриальной мембраны, перехватывая протоны и электроны не только от I и II комплексов дыхательной цепи, но и захватывая из митохондриального матрикса протоны. При этом убихинон восстанавливается с образованием промежуточного свободнорадикального продукта – семихинона.

Восстановленная форма убихинона – убихинол – передаёт протоны и электроны на III комплекс дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза имеет высокую степень сродства к кислороду и может работать при его низких концентрациях.

аа 3 - состоит из 6 субъединиц каждая из которых содержит гем и атом меди. 2 субъединицы составляют цитохром а, а остальные 4 относятся к цитохрому а 3.

Между НАД и ФП, b-c, a-a3 имеет место max перепад ОВП. Эти пункты являются местом синтеза АТФ (местом фосфорилирования АДФ).

III комплекс цепи тканевого дыхания – убихинол-цитохром С-оксидоредуктаза. В состав III комплекса входят цитохромы b и с 1 , относящиеся к группе сложных белков хромопротеинов . Простетическая группа этих белков окрашена (chroma – краска) и близка по химическому строению к гему гемоглобина. Однако в противоположность гемоглобину и оксигемоглобину, в которых железо должно быть только в 2-х валентной форме, железо в цитохромах при работе дыхательной цепи переходит от двух- к трёхвалентному состоянию (и обратно).

Как видно из названия, III комплекс переносит электроны от убихинола на цитохром С. Вначале электроны поступают на окисленную форму цитохрома b (Fe 3+), который при этом восстанавливается (Fe 2+), затем восстановленный цитохром b передаёт электроны окисленной форме цитохрома с, который также восстанавливается и, в свою очередь, передаёт электроны цитохрому С.

митохондриальной мембраны от III комплекса к IV и обратно. При этом 1 молекула цитохрома С, попеременно окисляясь и восстанавливаясь, переносит 1 электрон.

IV комплекс дыхательной цепи – цитохром С-оксидаза. Комплекс назван оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с кислородом. У млекопитающих этот крупный (~ 200 kD) трансмембранный белок состоит из 6-13 субъединиц, из которых некоторые кодируются митохондриальной ДНК. В состав IV комплекса входят 2 хромопротена – цитохром а и цитохром а 3 . В отличие от других цитохромов, цитохромы а и а 3 каждый содержат не только атом железа, но и атом меди. Медь в составе этих цитохромов при транспорте электронов также попеременно переходит в окисленное (Cu 2+) и восстановленное (Cu +) состояние.

Цитохром с -оксидаза катализирует одноэлектронное окисление 4-х восстановленных молекул цитохрома с и при этом одновременно осуществляет полное (4-х электронное) восстановление молекулы кислорода:

4 цитохрома с (Fe 2+) + 4 H + + O 2 4 цитохрома с (Fe 3+) + H 2 O

Протоны для образования молекул воды поступают из матрикса. Следует заметить, что эта реакция весьма сложна и протекает через промежуточные стадии образования свободных радикалов кислорода.

Окислительно-восстановительный потенциал IV комплекса является самым большим (+0,57 v), его энергии вполне достаточно для синтеза 3-х молекул АТФ, однако большая часть этой энергии используется на «перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. В связи с активным транспортом протонов цитохром с -оксидаза получила название «протонного насоса».

Таким образом, тканевое дыхание представляет собой процесс транспорта электронов и протонов от НАД- или ФАД-зависимых субстратов на кислород, а также протонов, поставляемых матриксом митохондрий. При транспорте падает редокс-потенциал, что сопровождается высвобождением заключённой в субстратах тканевого дыхания энергии. Полное восстановление молекулярного кислорода воздуха в дыхательной цепи сопровождается образованием воды.

Компонентами дыхательной цепи являются ферментные белки с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами. Такие комплексы у эукариот локализуются во внутренней стороне мембраны митохондрий, а у прокариот – в плазматической мембране. Механизм действия и локализация компонентов дыхательной цепи в тех и других мембранах во многом сходны.

Компоненты дыхательной цепи погружены в двойной липидный слой. Речь идет о большом числе ферментов, коферментов и простетических групп, различных дегидрогеназ и транспортных систем, участвующих в переносе электронов и водорода. Белковые компоненты могут быть выделены из мембраны. Дыхательные цепи микроорганизмов состоят из следующих важнейших, локализованных в мембране, переносчиков атомов водорода или электронов: флавопротеинов, железосерных белков, хинонов и цитохромов.

Флавопротеины – коферменты, в состав которых входит витамин В2, а в качестве простетических групп в них выступают флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Флавопротеины осуществляют перенос атомов водорода, т. е. являются дегидрогеназами. Дегидрогеназа, которая содержит в качестве простетической группы ФМН, является НАДФ · Н2-дегидрогеназой. Это стартовый переносчик в дыхательной цепи, осуществляющий перенос водорода с НАДФ · Н2 на следующие компоненты дыхательной цепи. Дегидрогеназа, содержащаяся в качестве простетической группы ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной кислоты в фумаровую в ЦТК. Атомы водорода от ФАД · Н2 поступают сразу на хиноны, локализованные на последних этапах электронтранспортной цепи.

Железосерные белки (FeS-белки) содержат железосероцентры, в которых атомы железа связаны, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой – с неорганической сульфидной серой (рис. 4).

Железосероцентры входят в состав некоторых флавопротеинов (например, сукцинатдегидрогеназы и НАДФ · Н2-дегидрогеназы), или же служат в качестве единственных простетических групп белков. Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров. Железосероцентры, в зависимости от строения, могут осуществлять одновременный перенос одного или двух электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.

Рис. 4. Железосероцентры (FeS-центры) белков

Хиноны – жирорастворимые соединения. У грамотрицательных бактерий они представлены убихиноном (кофермент Q) или менахиноном (рис. 5).

Рис. 5. Хиноны грамотрицательных бактерий: А – кофермент Q (убихинон); Б – менахинон

Хиноны липофильны и поэтому локализуются в липидной фазе мембраны. Они переносят атомы водорода. По сравнению с другими компонентами дыхательной цепи, хиноны содержатся в 10–15-кратном избытке. Они служат «сборщиками» водорода, поставляемого различными коферментами и простетическими группами в дыхательной цепи, и передают его цитохромам. Таким образом, они функционируют в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами.

Цитохромы принимают участие на заключительном этапе в цепи переноса электронов. К ним электроны поступают от хинонов. В качестве простетической группы цитохромы содержат гем. Цитохромы окрашены; они отличаются друг от друга спектрами поглощения и окислительно-восстановительными потенциалами. Различают цитохромы а , а 3 , b , c , o и ряд других. Наиболее широко распространен цитохром с . Он найден почти у всех организмов, обладающих дыхательной цепью. Конечные (терминальные) цитохромы дыхательной цепи – это цитохромы а + а 3 или цитохромоксидаза. Они передают электроны на молекулярный кислород, т. е. катализируют восстановление молекулярного кислорода до воды. В реакционном центре цитохромоксидазы, помимо двух гемов, содержатся два атома меди.

Дыхательная цепь имеет следующие особенности:

1) Одни ее компоненты переносят только атомы водорода, а другие – только электроны.

2) Переносчики атомов водорода и переносчики электронов последовательно чередуются в дыхательной цепи. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы – электронов.

3) В составе дыхательных цепей у микроорганизмов выявлены определенные различия.

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования . Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н + или восстановленного убихинона (QH 2) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н + и, соответственно, QH 2) и акцептора (О 2) реакция является высокоэкзергонической . Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.

Компоненты дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV ), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики - убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа , принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза иногда называется комплексом V , хотя она не принимает участия в переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов , связанных с белкам. К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.

Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н + комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН 2 или флавопротеин. При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон . Последний переносит электроны в комплекс III , который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с 1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с . Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu A и Cu B) и гемы а и а 3 , через которые электроны, наконец, поступают к кислороду . При восстановлении О 2 образуется сильный основной анион О 2- , который связывает два протона и переходит в воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом .

Организация дыхательной цепи

Перенос протонов комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация ионов H + , т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ.

Как уже упоминалось, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее обычно они не контактируют друг с другом, так как электроны переносятся убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря неполярной боковой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны.

Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цитратный цикл и β-окисление - самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O 2 и образование АТФ (ATP). Полученный АТФ переносится по механизму антипорта (против АДФ) в межмембранное пространство, откуда через порины проникает в цитоплазму.

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).

Окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие перенос электронов, и окислительное фосфорилирование локализованы в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.

Транспорт электронов к кислороду в митохондриях (рис. 13.3) происходит в несколько этапов и представляет собой цепь из переносчиков электронов, у которых по мере приближения к кислороду возрастает редокс-потенциал (соответственно снижается восстановительный потенциал). Эти транспортные системы получили название дыхательных цепей.

Рис. 13.3.

Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря действию ферментов (дегидрогеназ), использующих в качестве акцепторов электронов коферменты NAD+ и NADP + . Всю эту группу ферментов называют ЫАО(Р)-зависимыми дегидрогеназами.

Коферменты NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), ко- фермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, Q, С, А, А 3) и белки, содержащие негеминовое железо, являются промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD и образования NADH и FADH2.

Последующее движение электронов от NADH и FADH 2 к кислороду можно уподобить скатыванию с лестницы, ступеньками которой являются переносчики электронов. При каждом шаге со ступеньки на ступеньку высвобождается порция свободной энергии (см. рис. 13.3).

В переносе электронов от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три белковых комплекса (I, III, IV) и две подвижные молекулы-переносчики: убихинон (ко- фермент Q) и цитохром С.

Рис. 13.4. Строение молекулы гема, z = 2* или 3 +

Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к циклу Кребса, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных кофер- ментов, связанных с белками.

Переносчики электронов цито- хромы (названные так из-за своей окраски) - это белки, содержащие в качестве простетической группы различные группы гемов. Гемы типа Ь соответствуют гемоглобинам. Гем ковалентно связан с белком (рис. 13.4).

Общим для цитохромов является способность иона железа, находящегося в геме, изменять степень окисления при передаче электрона:

Флавинзависимые дегидрогеназы - это белки, у которых сульфгидрильные группы цистеина, входящего в состав белка, связаны с атомами железа, в результате чего образуется железосерные комплексы (центры). Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах способны отдавать и принимать электроны, переходя поочередно в ферри- (Fe +3) и ферро- (Fe +2) состояния.

Железосерные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами FAD или FMN.

Фпавинадениндинуклеотид (FAD) является производным витамина В 2 (рибофлавина). Восстанавливаясь, FAD (окисленная форма) присоединяет два атома водорода и превращается в FADH 2 (восстановленная форма):

Еще один переносчик электронов, относящийся к данной группе, - флавинмононуклеотид (FMN) также является производным витамина В 2 (отличается от витамина В 2 только наличием фосфатной группы).

Оба флавиновых кофермента могут существовать и в форме так называемых семихинонов - свободных радикалов, которые образуются в результате переноса только одного электрона на FAD или FMN:

Общее обозначение различных флавопротеидов, различающихся белковой составляющей фермента, - FP„.

Пиридинзависимые дегидрогеназы получили такое название потому, что коферментом для них служат NAD + и NADP + , в молекулах которых имеется производное пиридина - никотинамид:

Катализируемые этими ферментами реакции можно представить следующим образом:

Дегидрогеназы, связанные с NAD + , принимают участие главным образом в процессе дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с NADP + , участвуют преимущественно в переносе электронов от субстратов, возникающих в результате катаболиче- ских реакций, к восстановительным реакциям биосинтеза.

Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон, названный так потому, что этот хинон встречается везде (от ubiquitous - вездесущий). Сокращенно его обозначают CoQ или просто Q. Убихинон при восстановлении присоединяет не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном переносе он превращается в семихинон, двухэлектронном - в гидрохинон.

Последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий можно представить следующей схемой:

Эта схема описывается цепью последовательных реакций:

Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстратов достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. Образующаяся в результате этого процесса вода называется метаболической.

Разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий представляет собой цепь переноса электронов, которая работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны.