Хемиосмотическое сопряжение
В начале 60 –х годов ХХ века П. Митчелл постулировал несколько важных идей
1. Энергия, высвобождаемая при окислении метаболита, содержится в митохондрии в виде восстанавливающих эквивалентов (-Н, е-), которые направляются в дыхательную цепь. Здесь электроны проходят но редокс - градиенту переносчиков электронов к своей последней реакции с молекулярным кислородом, в ходе которой образуется вода
2.Комплексы редокс-переносчиков сгруппированы на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов на различные ступени редокс-градиента, используется для выкачивания протонов из матрикса и образования электронов и образования электрохимического потенциала на внутренней митохондриальной мембране.
3. Митохондриальная АТР- синтаза переносит протоны через мембрану. При наличии электрохимического протонного градиента протоны будут двигаться из межмембранного пространства назад в матрикс, при том образуется АТР из ADP
Общая характеристика этапов хемиосмотического процесса
Этот хемиосмотический процесс сопрягает энергию окисления метаболитов с производством АТР на внутренней митохондриалыюй мембране. Энергия, которая получается в результате окисления пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к образованию NADH и FADH2 из NAD+ и FAD, накапливается в виде электронов или восстанавливающих эквивалентов.
Эти электроны в конце концов соединяются с кислородом для производства АТР в процессе окислительного фосфорилирования.
Когда электроны, запасенные в форме NADH и FADH2, высвобождаются, они транспортируются по дыхательной цепи, расположенной на внутренней митохондриальной мембране.
Энергия, высвобождаемая при переходе с одного переносящее комплекса на другой, выкачивает Н+ из матрица через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.
Этот процесс создает на внутренней митохондриальной мембране электрохимический протонный градиент. Теперь концентрация протонов выше в межмембранном пространстве, поэтому протоны перетекают по протонному градиенту (направляемые частично отрицательным зарядом со стороны матрикса) обратно в матрикс. Это приводит в действие мембрано- связанную АТР-синтазу, которая превращает ADP и Рi в АТР.
Цепь транспорта электронов - ЦТЭ
В процессе транспорта электронов от исходного донора электронов SH2 к терминальному акцептору - О2 участвуют промежуточные переносчики. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.
Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD+ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С1, С, А, А3) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы или комплексы.
Комплекс I
| В первый комплекс входят НАДН-дегидрогеназа, FMN и FeS - белки, содержащие негеминовое железо. НАДН- зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD+ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода. Переносчиком водорода является кофермент - FMN. В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем через FeS – белки передается на убихинон. Основная функция – перенос электрона с НАДН на убихинон Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство. |
Комплекс II
| Во второй комплекс входят FAD - зависимая сукцинатдегидрогеназа и FeS белки. FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Основная функция – перенос электрона, полученных при окислении сукцината в цикле Кребса на убихинон |
Убихинон
| Кофермент Q или убихинон - небелковый компонент - производное изопрена. Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Основная функция -переносчик электронов на цитохромы. |
Комплекс III
| QН2-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С1. Также в состав этого комплекса входят FeS – белки. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С. Основная функция – перенос электронов на цитохром с Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство. |
Цитохром С
Цитохром С - низкомолекулярный гемсодержащий белок, обладающий подвижностью в липидном слое мембраны.
Комплекс IY
| В четвертый комплекс входят цитохромоксидаза, цитохромы а, а3 и двухвалентная медь. Основная функция – перенос электронов от цитохрома с до воды. Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство. |
Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи приведена на рисунке 7.
Рис.7. Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи
Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. В первом случае донорами водорода выступают изоцитрат, a - кетоглутарат, малат, а также пируват и глутамат.
Во втором случае сукцинат, ацил-КоА и a - глицерофосфат. Если процесс начинается с NAD+ , то следующим переносчиком будет FMN.
От FMN протоны и электроны переносятся к коферменту Q. FAD - зависимыме дегидрогеназамы переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. Дальше пути электронов и протонов расходятся.
Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.
В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С1, С, а, а3. Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:
Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С.
Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород.
Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:
В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а3, а затем ион меди цитохрома а3. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а3, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.