Електронни носители в дихателната верига. Дихателна верига и окислително фосфорилиране. Респираторна електротранспортна верига

дихателна верига е част от процеса окислително фосфорилиране. Компонентите на дихателната верига катализират преноса на електрони от NADH + H + или редуциран убихинон (QH 2) към молекулярен кислород. Поради голямата разлика в редокс потенциалите на донора (NADH + H + и съответно QH 2) и акцептора (O 2), реакцията е силно екзергоничен. Повечето от енергията, освободена по време на това, се използва за създаване на протонен градиент и накрая за образуване на АТФ с помощта на АТФ синтаза.

Компоненти на дихателната верига

Дихателната верига включва три протеинови комплекса ( комплекси I, III и IV), вградени във вътрешната митохондриална мембрана, и две подвижни молекули носители- убихинон (коензим Q) и цитохром c. Сукцинат дехидрогеназа, принадлежащ към самия цитратен цикъл, също може да се разглежда като комплекс II на дихателната верига. АТФ синтазапонякога се нарича комплекс V, въпреки че не участва в преноса на електрони.

Комплексите на дихателната верига са изградени от много полипептиди и съдържат редица различни редокс коензимисвързани с протеини. Те принадлежат към флавин[FMN (FMN) или FAD (FAD), в комплекси I и II], желязо-серни центрове(в I, II и III) и хем групи(в II, III и IV). Детайлната структура на повечето от комплексите все още не е установена.

Електроните навлизат в дихателната верига по различни начини. По време на окисляването на NADH + H + комплекс Iпренася електрони през FMN и Fe/S центрове към убихинон. Електроните, образувани по време на окислението на сукцинат, ацил-КоА и други субстрати, се прехвърлят към убихинон комплекс IIили друго митохондриална дехидрогеназачрез ензимно свързан FADH2 или флавопротеин. В този случай окислената форма на коензим Q се редуцира до ароматна убихидрохинон. Последният пренася електрони към комплекс III, който ги доставя чрез два хема b, един Fe/S център и хем c 1 до малък хем, съдържащ протеин цитохром c. Последният прехвърля електрони към комплекс IV, цитохром с оксидаза.Цитохром c-оксидазата съдържа два мед-съдържащи центъра (Cu A и Cu B) и хеми a и a 3 за редокс реакции, през които накрая навлизат електрони към кислорода. Когато O 2 се редуцира, се образува силен основен O 2- анион, който свързва два протона и преминава във вода. Електронният поток е конюгиран с образуваните комплекси I, III и IV протонен градиент .

Организация на дихателната верига

Протонен трансфер от комплекси I, III и IV продължава векторот матрикса към междумембранното пространство. Когато електроните се прехвърлят в дихателната верига, концентрацията на H + йони се увеличава, т.е. стойността на pH намалява. По същество само в непокътнати митохондрии АТФ синтазапозволява обратното движение на протоните в матрицата. Това е основата за регулаторно важното свързване на преноса на електрони с образуването на АТФ.

Както вече беше споменато, всички комплекси от I до V са интегрирани във вътрешната митохондриална мембрана, но те обикновено не контактуват един с друг, тъй като електроните се прехвърлят от убихинон и цитохром c. Убихинонът, поради неполярната странична верига, се движи свободно в мембраната. Водоразтворимият цитохром с се намира на навънвътрешна мембрана.

Окисляването на NADH (NADH) от комплекс I се извършва от вътрешната страна на мембраната, както и в матрицата, където също протичат цитратният цикъл и β-окислението, най-важните източници на NADH. В допълнение, редукцията на O 2 и образуването на АТФ (АТФ) се извършва в матрицата. Полученият АТФ се прехвърля чрез антипортовия механизъм (срещу АДФ) в междумембранното пространство, откъдето прониква в цитоплазмата през порини.

ETC е локализиран в CPM, при еукариоти - върху вътрешната мембрана на митохондриите. Носителите са разположени според техния редокс потенциал, транспортът на електрони по веригата протича спонтанно.

Протонният потенциал се преобразува от АТФ синтазата в енергията на химическата връзка на АТФ. Конюгираната работа на ETC и ATP синтазата се нарича окислително фосфорилиране.

Митохондриална електротранспортна верига

Влияние на окислителния потенциал

Редуциращ агент	Окислител	Ео, В
H2	2 +	- 0,42
НАД H + H+	НАД+	- 0,32
NADP Н + Н+	NADP+	- 0,32
Флавопротеин (възстановен)	Флавопротеин (окислен)	- 0,12
Коензим Q H2	Коензим Q	+ 0,04
Цитохром В (Fe2+)	Цитохром В (Fe3+)	+ 0,07
Цитохром С 1 (Fe2+)	Цитохром С 1 (Fe3+)	+ 0,23
Цитохроми А (Fe2+)	Цитохроми А(Fe3+)	+ 0,29
Цитохроми А3 (Fe2+)	Цитохроми А3 (Fe3+)	+0,55
H2O	½ O2	+ 0,82

Инхибитори на дихателната верига

Някои вещества блокират преноса на електрони през комплекси I, II, III, IV.

Инхибитори на комплекс I - барбитурати, ротенон, пиерицидин
Инхибиторът на комплекс II е малонат.
Инхибитор на комплекс III - антимицин А, миксотиазол, стигмателин
Инхибитори на комплекс IV - сероводород, цианиди, въглероден оксид, азотен оксид, натриев азид

Електротранспортни вериги на бактерии

Бактериите, за разлика от митохондриите, използват голям набор от донори и акцептори на електрони, както и различни начини за пренос на електрони между тях. Тези пътища могат да се извършват едновременно, напр. E. coliкогато се отглежда в среда, съдържаща глюкоза като основен източник на органична материя, той използва две NADH дехидрогенази и две хинол оксидази, което означава, че има 4 пътя за транспортиране на електрони. Повечето ETC ензими са индуцируеми и се синтезират само ако пътят, в който влизат, е търсен.

В допълнение към органичната материя, бактериите могат да използват молекулярен водород, въглероден окис, амоний, нитрит, сяра, сулфид, двувалентно желязо като донор на електрони. Вместо NADH и сукцинат дехидрогеназа могат да присъстват формиат -, лактат -, глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа, хидрогеназа и др.. Вместо оксидаза, която се използва при аеробни условия, при липса на кислород, бактериите могат да използват редуктази, които възстановяване на различни крайни акцептори на електрони: фумарат редуктаза, нитрат - и нитрит редуктаза и др.

Вижте също

Напишете отзив за статията "Респираторна електротранспортна верига"

Бележки

Откъс, характеризиращ респираторната електротранспортна верига

- Ваша чест, към генерала. Ето те стоят в колиба - каза фойерверкът, приближавайки се до Тушин.
- Сега, гълъбче.
Тушин стана и, като закопча палтото си и се съвзе, се отдалечи от огъня ...
Недалеч от огъня на артилеристите, в приготвена за него колиба, принц Багратион седеше на вечеря и разговаряше с някои от командирите на частите, които се бяха събрали у него. Имаше и старец с полузатворени очи, лакомо хапещ овнешки кокал, и двайсет и две годишен безупречен генерал, зачервен от чаша водка и вечеря, и щабен офицер с персонален пръстен, и Жерков. , неспокойно оглеждайки всички, и княз Андрей, блед, със стиснати устни и трескаво блестящи очи.
В хижата стоеше взето френско знаме, облегнато в ъгъла, и одиторът с наивно лице опипа тъканта на знамето и озадачен поклати глава, може би защото наистина се интересуваше от външния вид на знамето или може би защото му беше трудно.гладен да гледа вечеря,за което не получи уреда. В съседна колиба имаше френски полковник, пленен от драгуните. Нашите офицери се струпаха около него и го преглеждаха. Принц Багратион благодари на отделните командири и разпита за подробностите на случая и за загубите. Командирът на полка, който се представи близо до Браунау, докладва на принца, че веднага щом случаят започна, той се оттегли от гората, събра дървари и, като ги пропусна покрай себе си, с два батальона удари с щикове и преобърна французите.
- Като видях, ваше превъзходителство, че първият батальон е разстроен, застанах на пътя и си помислих: „Ще пусна тези да минат и да ги срещна с боен огън“; направи така.
Командирът на полка толкова искаше да направи това, толкова съжаляваше, че няма време да направи това, че му се стори, че всичко това определено се е случило. Може би дори наистина се е случило? Можеше ли да се различи в това объркване кое е и кое не?
— Освен това трябва да отбележа, ваше превъзходителство — продължи той, като си припомни разговора на Долохов с Кутузов и последната му среща с понижения, — че редникът, пониженият Долохов, залови пред очите ми един френски офицер и особено се отличи.
„Ето, ваше превъзходителство, видях атаката на павлоградчани“, намесва се неспокойно оглеждайки се Жерков, който този ден изобщо не е видял хусарите, а само е чул за тях от един пехотен офицер. - Смачкаха два квадрата, ваше превъзходителство.
Някои се усмихнаха на думите на Жерков, тъй като винаги очакваха шега от него; но като забелязаха, че казаното от него също клони към славата на нашето оръжие и на днешния ден, те придобиха сериозно изражение, въпреки че мнозина много добре знаеха, че казаното от Жерков е лъжа, неосноваща се на нищо. Княз Багратион се обърна към стария полковник.
- Благодаря на всички, господа, всички части действаха геройски: пехота, кавалерия и артилерия. Как са останали две пушки в центъра? — попита той, търсейки някого с очи. (Княз Багратион не попита за оръдията на левия фланг; той вече знаеше, че всички оръдия са хвърлени там в самото начало на случая.) „Мисля, че ви попитах“, обърна се той към дежурния щабен офицер.
- Единият беше улучен - отговори дежурният, - а другият не мога да разбера; Аз самият бях там през цялото време и приемах поръчки, а тъкмо бях тръгнал... Наистина беше горещо - добави той скромно.
Някой каза, че капитан Тушин стои тук, близо до самото село, и че вече са го повикали.
- Да, ето ви - каза княз Багратион, обръщайки се към княз Андрей.
„Е, ние малко не се събрахме“, каза дежурният офицер в щаба, като се усмихна мило на Болконски.
— Нямах удоволствието да ви видя — каза княз Андрей студено и кратко.
Всички мълчаха. Тушин се появи на прага, плахо си проправяше път иззад генералите. Заобикаляйки генералите в тясна колиба, смутен, както винаги, при вида на началниците си, Тушин не видя стълба на знамето и се спъна в него. Няколко гласа се засмяха.
Как е оставено оръжието? — попита Багратион и се намръщи не толкова на капитана, колкото на смеещите се, сред които гласът на Жерков беше най-висок.
Само сега Тушин, при вида на страховитите власти, с пълен ужас си представи своята вина и срам от факта, че той, останал жив, е загубил две пушки. Беше толкова развълнуван, че досега нямаше време да мисли за това. Смехът на офицерите го обърка още повече. Той застана пред Багратион с трепереща долна челюст и едва изрече:
„Не знам… Ваше превъзходителство… Нямаше хора, Ваше превъзходителство.“
- Можеш да го вземеш от прикритие!
Че нямаше покритие, Тушин не каза това, въпреки че беше абсолютната истина. Той се страхуваше да не разочарова другия началник с това и мълчаливо, с втренчени очи, гледаше право в лицето на Багратион, точно както заблуден ученик гледа в очите на изпитващия.
Мълчанието беше доста дълго. Принц Багратион, явно не желаейки да бъде строг, нямаше какво да каже; останалите не посмяха да се намесят в разговора. Княз Андрей погледна Тушин изпод вежди и пръстите му се размърдаха нервно.
— Ваше превъзходителство — прекъсна тишината с грубия си глас княз Андрей, — благоволихте да ме изпратите при батареята на капитан Тушин. Бях там и намерих две трети от мъжете и конете убити, два оръжия обезобразени и без прикритие.
Княз Багратион и Тушин вече еднакво упорито гледаха Болконски, който говореше сдържано и развълнувано.
„И ако, ваше превъзходителство, позволете ми да изразя мнението си“, продължи той, „успехът на деня дължим най-вече на действието на тази батарея и на героичната издръжливост на капитан Тушин с неговата рота“, каза княз Андрей и , без да чака отговор, веднага стана и се отдалечи от масата.

Окисляването на субстратите по време на дишането може да бъде представено като прехвърляне на електрони и протони (т.е. водородни атоми) от органични вещества към кислород. Този процес включва редица междинни носители, които се образуват дихателна верига.

дихателна верига (електронтранспортна верига, електронтранспортна верига) - система от трансмембранни протеини и преносители на електрони, които пренасят електрони от субстрати към кислород. В еукариотните клетки дихателната верига е разположена във вътрешната мембрана на митохондриите.

Когато NAD + и NADP + взаимодействат с водородни атоми, възниква обратимо добавяне на водородни атоми.

2 електрона и един протон са включени в молекулата NAD + (NADP +), вторият протон остава в средата:

Друг основен източник на водородни атоми и електрони е редуцираният флавопротеин (FAD или FMN):

Редуцираните форми на тези кофактори са способни да транспортират водород и електрони към митохондриалната дихателна верига.

Компонентите на дихателната верига са вградени в митохондриалната мембрана под формата на 4 протеиново-липидни комплекса (фиг. 33).

Комплекс I (NADH дехидрогеназа)включва FMNи желязо-сярен протеин FeS (нехемово желязо).Желязо-сярен протеин участва в редокс процеса. Комплекс I окислява NADH, прехвърляйки 2 електрона от него към коензим Q (KoQ)и изпомпва 4 протона от матрицата в междумембранното пространство на митохондриите.

KoQ(убихинон) е производно на бензохинон. Това е малка липофилна молекула. Движейки се в липидния слой на мембраната, убихинонът осигурява преноса на електрони между комплекси I-III и II-III.

Комплекс II (сукцинат дехидрогеназа)включва ПРИЩЯВКАи желязо-сярен протеин. Осигурява влизане във веригата на допълнителни електрони поради окисляването на сукцината.

Комплекс III (QH 2 -дехидрогеназа)включва цитохром bи от 1и желязо-сярен протеин. Цитохроми- хемопротеини, в които протетичната хем група е близка до хема на хемоглобина (тя е идентична в цитохром b). Комплекс III пренася електрони от убихинон към цитохром cи помпи
2 протона в междумембранното пространство.

Комплекс IV (цитохром с оксидаза)включва цитохром аи а 3, които освен хем съдържат медни йони. Комплекс IV катализира преноса на електрони от цитохромни молекули към O2и изпомпва 4 протона в междумембранното пространство.

Цитохром а 3 - крайната част на дихателната верига ( цитохромоксидаза): настъпва цитохромно окисление си образуване на вода. В човешкото тяло митохондриалната дихателна верига образува 300-400 ml вода на ден (метаболитна вода).

Компонентите на митохондриалната дихателна верига са подредени в низходящ ред на редокс потенциал. Движението на електрони в дихателната верига се извършва по градиента на редокс потенциала и е източник на енергия за пренос на протони. Преносът на два електрона през всеки комплекс осигурява преноса на четири протона. В резултат на това се появява разлика в концентрациите на протони отстрани на мембраната и в същото време разлика в електрическите потенциали със знак плюс на външната повърхност. Електрохимичният потенциал принуждава протоните да се движат в обратна посока – от външната повърхност навътре. Мембраната обаче е непропусклива за тях, с изключение на зоните, където се намира ензимът. протонна АТФ синтаза(фиг. 34).

АТФ синтазата се състои от две части - статор и ротор.

статорсе състои от три α-субединици и три β-субединици – те участват пряко в синтеза на АТФ от АДФ и фосфат. δ субединицата се присъединява към тях и заедно те образуват F1 субединицата.

Роторсе състои от g- и e-подединици.

Статорът се държи в мембраната, а роторът се върти поради енергията на протоните.

AT статорима протонен канал (F0). Състои се от два полуканала, които са изместени един спрямо друг. Протонът преминава през едната половина на канала, след което на въртящ се ротор влиза във втората половина на канала.

Ориз. 34. Структурата на протонната АТФ синтаза

Движещата сила за АТФ синтазата да катализира реакцията

ADP + H 3 RO 4 \u003d ATP + H 2 O,

е разликата в електрохимичните потенциали, създадени, когато протоните се движат през канала.

П. Мичълза да обясни молекулярния механизъм на конюгиране на електронния транспорт и образуването на АТФ в дихателната верига през 1960 г., предложен хемиосмотична концепция: в дихателната верига има само 3 места (комплекси I, III, IV), където преносът на електрони е свързан с натрупването на енергия, достатъчна за образуването на АТФ.

Коефициент на фосфорилиране- съотношението на количеството образуван АТФ към абсорбирания кислород: ATP/Oили R/O. Максималната стойност на коефициента на фосфорилиране 3 ако окислителната реакция протича с участието NADH+H+, и 2 ако протича окисляването на субстрата FADN 2. Реално получените стойности са по-малки (2,5 и 1,5), т.е. процесът на дишане не е напълно свързан с фосфорилирането. Степента на конюгация зависи главно от целостта на митохондриалната мембрана.

Сформирана ATP с участието ADP-ATP транслокациисе транспортира от матрицата към външната страна на мембраната и навлиза в цитозола. В същото време същата транслоказа транспортира ADP в обратна посока, от цитозола към митохондриалната матрица.

За всяко свиване на сърдечния мускул се изразходват около 2% от наличния в него АТФ. Целият АТФ би бил изразходван за 1 минута, ако не беше неговото регенериране. Когато се образува тромб в коронарната артерия, доставката на кислород към клетките спира, регенерацията на АТФ спира и клетките умират ( инфаркт на миокарда).

Увеличаването на концентрацията на ADP води до ускоряване на дишането и фосфорилирането. Зависимостта на интензивността на митохондриалното дишане от концентрацията на ADP се нарича контрол на дишането.

За да се оцени ефектът на адениловите нуклеотиди върху метаболитните процеси, клетъчен енергиен заряд (ECC):

Обикновено EZK = 0,7-0,8: скоростта на образуване на АТФ е равна на скоростта на нейното използване, адениловата система е наситена с енергия.

С EZK< 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.

Ако EZK = 1, тогава процесите на синтез на АТФ се инхибират и неговото използване се ускорява.

Механизмът за управление на дишането се характеризира с висока точност. Относителните концентрации на АТФ и АДФ в тъканите варират в тесни граници, докато енергийната консумация на клетката може да варира десетки пъти.

Така енергията на хранителните вещества в клетката първо се трансформира в енергията на АТФ, а след това АТФ служи като директен източник на енергия за биохимични и физиологични процеси. Тези трансформации на енергията са енергиен метаболизъм.

Хипоенергийни състоянияподразделени на:

1. Хранителен(гладуване, бери-бери).

2. Хипоксичен.Свързан:

С нарушение на доставката на кислород в кръвта. Екзогенна хипоксия -липса на кислород във въздуха, който дишаме белодробен (респираторен)- нарушение на белодробната вентилация;

С нарушен транспорт на кислород в кръвта. Хемодинамична хипоксиясвързани с нарушения на кръвообращението (генерализирани - сърдечни дефекти, загуба на кръв; локални - вазоспазъм, тромбоза); причините хипоксия на хемоглобина- хипохемоглобинемия, хемоглобинопатии, блокиране на хемоглобина с отрови.

3. Митохондриален.Използването на кислород в клетките е трудно в резултат на дисфункция на митохондриите от инхибитори на ензими на дихателната верига, разединители на окисляване и фосфорилиране и мембранотропни вещества.

При пълно гладуване хранителните запаси на организма са достатъчни за няколко седмици. При лишаване на тялото от кислород смъртта настъпва след 2-3 минути. Следователно хипоксията е най-честата причина за хипоенергийни състояния, а хипоксията на мозъка е пряката причина за смъртта. Сред реанимационните процедури водещо място заемат мерките, насочени към възстановяване на снабдяването на органите с кислород.

аз NADH-убихинон оксидоредуктаза. Приема електрони и протони от NADH H+;
протоните се изхвърлят в междумембранното пространство, електроните се прехвърлят към CoQ.
ΙΙ. Сукцинат-убихинон оксидоредуктаза. Приема електрони и протони от субстрати в матрицата и ги прехвърля към убихинон.
Убихинонът е липофилна молекула, хинон, която лесно се движи през мембраната, приема електрони и протони от комплексите Ι и ΙΙ на дихателната верига и пренася електрони към комплекса ΙΙΙ.

Цитохромите, които са част от дихателната верига, са желязосъдържащи протеини, чиято простетична група е представена от хема. Цитохромите могат да прехвърлят електрони само за сметка на железен атом с променлива валентност.

Ш. Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. Пренася електрони от убихинол към цитохром c. В същото време, благодарение на енергията, освободена по време на преноса, протоните се прехвърлят от матрицата в междумембранното пространство.
IV. Цитохром с оксидаза. Пренася електрони от цитохром c директно към кислорода. Цитохромите a и a3, в допълнение към железните атоми, съдържат медни атоми, следователно този комплекс едновременно извършва пълното (4-електронно) редуциране на кислородната молекула. Енергията на преноса на електрони се използва за изпомпване на протони в междумембранното пространство.
Както бе споменато по-горе, синтезът на АТФ изисква около 32 kJ/mol енергия. За това потенциалната разлика между окислителя и редуциращия агент е най-малко 0,26 волта. Шанс, Скулачев установи, че има три такива места в дихателната верига. Те съответстват на комплекси I, III и IV и се наричат точки на конюгация или фосфорилиране.
За да разберем връзката между транспорта на електрони по дихателната верига и синтеза на АТФ, нека се запознаем с V комплекса на вътрешната мембрана на митохондриите - ензимът, който осъществява реакцията на синтез на АТФ и се нарича протонна АТФ синтаза (виж фиг.). Този ензимен комплекс се състои от две части: Fo (o - олигомицин), който е вграден в мембраната и я прониква през и през нея, и F1, последният е с форма на капачка на гъба или дръжка на врата и е обърната към митохондриалната матрица. В изолираната си форма F1 не може да синтезира АТФ, но може да го хидролизира до АДФ и фосфат.
Реакцията на синтез на АТФ, осъществявана от комплекс V, се нарича окислително фосфорилиране и се описва с уравнението: ADP + H3PO4 = ATP + H2O.
Биохимиците отдавна търсят връзка - междинни високоенергийни съединения, които биха могли да служат като посредник между процеса на тъканно дишане и окислителното фосфорилиране. Английският биохимик P. Mitchell предполага, че синтезът на ATP V от комплекса HMM е свързан със специално състояние на тази мембрана и формулира химиоосмотичната теория за окислителното фосфорилиране (Нобелова награда 1978 г.).
Основните постулати на тази теория:
▪вътрешната митохондриална мембрана (IMM) е непропусклива за йони, по-специално за H+ и OH-;
▪ поради енергията на електронен транспорт през комплекси I, III и IV на дихателната верига, протоните се изпомпват от матрицата;
▪електрохимичният потенциал (ECP), възникващ върху мембраната, е междинна форма на съхранение на енергия;
▪Връщането (транслокацията) на протони към митохондриалната матрица през протонния канал на комплекс V поради ECP е движещата сила зад синтеза на АТФ.

Допълнителни изследвания (J. Walker, P. Boyer, Нобелова награда 1997) потвърждават предположенията на Mitchell. Те показаха, че енергията на движението на протоните се използва за промяна на конформацията на активния център на АТФ синтазата, което е придружено от синтеза на АТФ и след това неговото освобождаване. Полученият АТФ се транспортира до цитозола с помощта на транслоказа; в отговор ADP и фосфат навлизат в митохондриалната матрица. Общо 4 протона се изразходват за процеса на синтез, освобождаване и освобождаване в цитозола.
По време на окисляването на NAD-зависими субстрати, 10 протона се освобождават в MMPs (вижте диаграмата на комплексите на дихателната верига). Следователно в този случай може да се синтезира 2,5 mol АТФ (10:4), т.е. коефициентът на фосфорилиране P / O = 2,5. По време на окисляването на FAD-зависими субстрати в MMPs, 6 протона се освобождават в точки на конюгация III и IV. В този случай може да се синтезира 1,5 mol ATP (6: 4), т.е. коефициентът на фосфорилиране P / O = 1,5.
Сега можем да се върнем към разбирането на енергийната функция на цикъла на Кребс (вижте предишната лекция). В CTC има 4 реакции на дехидрогениране, като 3 DG са зависими от NAD и една е зависима от FAD. Поради окислението на водорода на 3 молекули NADH.H+ в дихателната верига се синтезират 7,5 mol АТФ, окислението на водорода на 1 mol FADH2 води до синтеза на 1,5 mol АТФ. В допълнение, една реакция на субстратно фосфорилиране се извършва в цикъла на ТСА. По този начин енергийният добив на окисление на ацетил-КоА в цикъла на Кребс е 10 mol ATP (7,5 + 1,5 + 1). Ще използваме тази цифра при по-нататъшни изчисления.
Скоростта на дихателната верига се регулира от енергийния заряд на клетката, т.е. от съотношението на АТФ / АДФ. АДФ е стимулатор на дихателната верига, АТФ е алостеричен инхибитор.
Хипоенергийните състояния възникват в тялото поради дефицит на АТФ в клетките. Причините им са следните:
храносмилателни (гладуване, хиповитаминоза РР, В2); хипоксичен (нарушено доставяне на O2 до клетките); митохондриален (действие на инхибитори и разединители).
Сред последните има, първо, инхибитори на дихателната верига. Това са отрови
които блокират преноса на електрони през I, II, III, IV комплекси. Ротенонът и барбитуратите блокират комплекс I, малонат - II, антимицин А - III, цианиди, въглероден окис блокират прехвърлянето на електрони към кислород, осъществявано от комплекс IV на дихателната верига.

Второ, инхибитори на окислителното фосфорилиране (олигомицин), които затварят протонния канал на комплекс V.
Трето, разединители на окислителното фосфорилиране. Това са вещества, които инхибират окислителното фосфорилиране, без да засягат процеса на пренос на електрони по дихателната верига. Механизмът на действие на разединителите е, че като липофилни вещества те имат способността да свързват протони и да ги прехвърлят към матрицата, заобикаляйки протонния канал на H + ATP синтазата. Енергията, освободена по време на преноса на електрони, се разсейва под формата на топлина. Разграничаване:
естествени разединители (продукти на липидна пероксидация, дълговерижни мастни киселини, термогенинови протеини от пробиване на мастна тъкан, големи дози йод-съдържащи хормони на щитовидната жлеза);
изкуствени разединители (динитрофенол, производни на витамин К, някои антибиотици).

Комплекси на дихателната верига

Комплекс III (комплекс на цитохром bc1) пренася електрони от убихинон към два водоразтворими цитохрома c, разположени върху вътрешната мембрана на митохондриите. Убихинонът пренася 2 електрона, а цитохромите пренасят по един електрон на цикъл. В същото време там преминават и 2 протона убихинон, които се изпомпват от комплекса.

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

FeS - желязо-серни центрове.

ВИЖ ПОВЕЧЕ:

. Респираторна електротранспортна верига

Респираторната електротранспортна верига (ETC, ETC) е система от структурно и функционално свързани трансмембранни протеини и носители на електрони. ETC ви позволява да съхранявате енергията, освободена по време на окисляването на NADH и FADH2 от молекулярен кислород (в случай на аеробно дишане) или други вещества (в случай на анаеробно дишане) под формата на трансмембранен протонен потенциал поради последователен трансфер на електрон по веригата, съчетано с изпомпване на протони през мембрана. компоненти на дихателната верига. Дихателната верига включва три протеинови комплекса (комплекси I, III и IV), вградени във вътрешната митохондриална мембрана и две мобилни молекули-носители - убихинон (коензим Q) и цитохром c. Сукцинат дехидрогеназата, която принадлежи към самия цитратен цикъл, също може да се разглежда като комплекс II на дихателната верига. ATP синтазата понякога се нарича комплекс V, въпреки че не участва в преноса на електрони. Комплексите на дихателната верига са изградени от много полипептиди и съдържат редица различни редокс коензими, свързани с протеини. Те включват флавин [FMN (FMN) или FAD (FAD), в комплекси I и II], желязо-сярни центрове (в I, II и III) и хем групи (в II, III и IV). Детайлната структура на повечето от комплексите все още не е установена. Електроните навлизат в дихателната верига по различни начини. По време на окислението на NADH + H+, комплекс I пренася електрони през FMN и Fe/S центрове към убихинон. Електроните, генерирани по време на окисляването на сукцинат, ацил-CoA и други субстрати, се прехвърлят към убихинон от комплекс II или друга митохондриална дехидрогеназа чрез ензимно свързан FADH2 или флавопротеин (виж Фиг.

Електронно-транспортна верига (tspe).

с. 166), докато окислената форма на коензим Q се редуцира до ароматен убихидрохинон. Последният пренася електрони към комплекс III, който ги доставя чрез два хема b, един Fe/S център и хем с1 до малък хем-съдържащ цитохром с протеин. Последният пренася електрони към комплекс IV, цитохром с оксидаза. Цитохром с оксидазата съдържа два медсъдържащи центъра (CuA и CuB) и хеми a и a3 за редокс реакции, през които електроните накрая навлизат в кислорода. Когато O2 се редуцира, се образува силен основен анион O2-, който свързва два протона и преминава във вода. Електронният поток е свързан с протонния градиент, образуван от комплекси I, III и IV. Организация на дихателната верига. Преносът на протони от комплекси I, III и IV протича векторно от матрицата в междумембранното пространство. Когато електроните се прехвърлят в дихателната верига, концентрацията на H + йони се увеличава, т.е. стойността на pH намалява. В непокътнати митохондрии по същество само АТФ синтазата позволява обратното движение на протоните в матрицата. Това е основата за регулаторно важното свързване на преноса на електрони с образуването на АТФ. Убихинонът, поради неполярната странична верига, се движи свободно в мембраната. Водоразтворимият цитохром с се намира от външната страна на вътрешната мембрана. Окисляването на NADH (NADH) от комплекс I се извършва от вътрешната страна на мембраната, както и в матрицата, където също протичат цитратният цикъл и β-окислението, най-важните източници на NADH. В допълнение, намаляването на O2 и образуването на АТФ (АТФ) се извършва в матрицата. Полученият АТФ се прехвърля чрез антипортовия механизъм (срещу АДФ) в интермембранното пространство (виж стр. 214), откъдето прониква в цитоплазмата през порини

Комплекси на дихателната верига

Комплекс I (NADH дехидрогеназа) окислява NADH, като отнема два електрона от него и ги прехвърля към липидоразтворим убихинон, който дифундира вътре в мембраната до комплекс III. В същото време комплекс I изпомпва 2 протона и 2 електрона от матрицата в междумембранното пространство на митохондриите.
Комплекс II (сукцинат дехидрогеназа) не изпомпва протони, но осигурява влизане във веригата от допълнителни електрони поради окислението на сукцината.
Комплекс III (комплекс на цитохром bc1) пренася електрони от убихинон към два водоразтворими цитохрома c, разположени върху вътрешната мембрана на митохондриите. Убихинонът пренася 2 електрона, а цитохромите пренасят по един електрон на цикъл.

Митохондриална електротранспортна верига

В същото време там преминават и 2 протона убихинон, които се изпомпват от комплекса.

Комплекс IV (цитохром c оксидаза) катализира прехвърлянето на 4 електрона от 4 цитохромни молекули към O2 и изпомпва 4 протона в междумембранното пространство. Комплексът се състои от цитохроми а и а3, които в допълнение към хема съдържат медни йони.

Кислородът, постъпващ в митохондриите от кръвта, се свързва с железния атом в хема на цитохром а3 под формата на молекула О2. Всеки от кислородните атоми свързва два електрона и два протона и се превръща във водна молекула.

Субстратът, образуван в цикъла на Кребс, претърпява дехидрогениране (отделяне на водород), в резултат на което се освобождава енергия, която отива за образуването на АТФ, а образуваните в процеса електрони и протони се свързват с кислород и образуват вода. Намаляването на молекулата на O2 става в резултат на прехвърлянето на 4 електрона. При всяко добавяне на 2 електрона към кислорода, идващи към него през веригата от преносители, 2 протона се абсорбират от матрицата, което води до образуването на молекула H2O.

Електроните се пренасят по верига от носители, които се намират в самата мембрана. Носителите, приемащи електрони, се окисляват и дарявайки на следващия носител, се възстановяват. В края на CPE електроните се прехвърлят към кислорода.

Протоните се изтласкват от митохондриалната мембрана.

Изместването на протоните се дължи на енергията на движението на електроните вътре в мембраната.

Протоните не могат спонтанно да се върнат обратно към мембраната, така че положителен заряд се натрупва от външната й страна.

Протоните в края на CPE отново преминават вътре през специален протеин - АТФ синтетаза (фактор 5) и участват в образуването на вода. Когато протонът преминава през АТФ синтетазата, се освобождава енергия, която отива за синтеза на АТФ.

В резултат на OVR реакции на носители, ATP се образува от ADP и неорганичен фосфат.

Важно: Без наличието на ADP не се получава окисление!

Субстрати на NAD- и NADP-зависими дехидрогенази се намират в митохондриалния матрикс и в цитозола.

Основните преносители на електрони са вградени във вътрешната мембрана на митохондриите и са организирани в 4 комплекса, подредени в определена последователност (вектор). В тази последователност техните стандартни редокс потенциали стават по-положителни, когато се доближат до кислорода.

1. Субстратът първо се окислява от дехидрогеназа - NAD +, в резултат на това коензимът NAD + приема протон и преминава в NADH.

Повечето дехидрогенази, доставящи електрони на CPE, съдържат NAD+. Те катализират реакции като:

R-CHOH-R1 + NAD+ ↔ R-CO-R1 + NADH + H+.

NADPH не е директен донор на електрони в CPE, но се използва почти

изключително в редуктивни биосинтези. Въпреки това, включването на електрони от NADPH в CPE е възможно поради действието на пиридин нуклеотид трансхидрогеназа, която катализира реакцията:

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

Флавин дехидрогеназите съдържат FAD или FMN като коензими.

FAD служи като акцептор на електрони от много субстрати в реакции като:

R-CH2-CH2-R1 + E (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + E (FADH2),

където Е е протеиновата част на ензима.

Повечето FAD-зависими дехидрогенази са разтворими протеини, локализирани в митохондриалната матрица. Изключение прави сукцинат дехидрогеназата, която се намира във вътрешната мембрана на митохондриите.

Или субстратът се окислява от дехидрогеназа-FAD+, което кара коензима FAD да приеме протон и да стане FADH2.

Ако сукцинат (янтарна киселина) се окислява, тогава окислението протича от сукцинат дехидрогеназа веднага чрез FAD+.

FAD дарява електрони на коензим Q (убихинон) чрез FES.

Важно: убихинонът не е протеин. Всички останали носители са протеини!

FeS - желязо-серни центрове.

Предишен12345678910111213Следващ

ВИЖ ПОВЕЧЕ:

Като цяло работата на дихателната верига е както следва:

Респираторна електротранспортна верига

NADH и FADH2, образувани в реакции на катаболизъм, пренасят водородни атоми (т.е. водородни протони и електрони) към ензими на дихателната верига.

2. Електроните се движат през ензимите на дихателната верига и губят енергия.

3. Тази енергия се използва за изпомпване на H+ протони от матрицата в междумембранното пространство.

4. В края на дихателната верига електроните удрят кислорода и го редуцират до вода.

5. H+ протоните се връщат обратно към матрицата и преминават през ATP синтазата.

6. В същото време те губят енергия, която се използва за синтеза на АТФ.

Общ принцип на окислителното фосфорилиране

Реконституирани форми на NAD и FAD се окисляватензими на дихателната верига, поради това към ADP се добавя фосфат, т.е. фосфорилиране. Следователно целият процес се нарича окислително фосфорилиране.

дихателна верига

Обща сума електрон транспортна веригавключва около 40 различни протеина, които са организирани в 4 големи мембранно свързани мултиензимни комплекса. Има и друг комплекс, участващ не в преноса на електрони, а в синтеза на АТФ.

Блокова схема на дихателната верига

Електронни носители

1. Цитохроми с1, с, а, а3 (простетична група - хем) са разположени в различни части на дихателната верига, цитохром с е подвижен водоразтворим протеин, който се движи по външната страна на мембраната между 3-ти и 4-ти комплекси . Цитохромите aa3 съдържат хем А. Вместо метилова (-CH3) и винилова (-CH=CH2) групи, той съдържа съответно формилна (-CH) група и въглеводородна верига. Втората особеност е наличието на медни йони в специални протеинови центрове.

Cu+<->Сu2+ + e и Fe2+<->Fe3+ + e

2. Желязо-сярни протеини (FeS) - не-хем протеини, които функционират във връзка с флавинови ензими (1, 2, 3 комплекси)