Биологическое окисление. Тканевое дыхание

Окислительное фосфорилирование создает условия для АТФ - универ- сальная форма энергии в живых организмах

Глюкоза Пируват Ацетил Co A Жирные кислоты Аминокислоты Цикл трикарбоновых кислот д оставляет НАДН и ФАДH 2 к цепи транспорта электронов

Коферменты НАДН и ФАДH 2 образуются в матриксе при: (1) Окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил CoA (2) Аэробном окислении ацетил CoA в цикле трикарбоновых кислот (3) Окислении жирных кислот и аминокислот НАДH и ФАДH 2 – энергетически богатые молекулы потому что содержат пару электронов, которые имеют высокий трансферный потенциал

Электроны НАДН или ФАДH 2 используются для восстановления молекулярного кислорода к воде Электроны от НАДН и ФАДH 2 не транспортируются прямо к O 2, а транспортируются через электронные переносчики.

Восстановлена я и окисленная формы НАД

Восстановленная и окисленная формы ФАД

Транспорт электронов переносчиками приводит к выкачиванию протонов из матрикса в межмембранное пространство В результате перераспределе- ния протонов создается градиент pH и трансмембран- ный электрический потенциал, который создает протонную силу

АТФ синтезируется когда протоны проходят назад в матрикс через ферментный комплекс АТФ синтазу Окисление макромолекул и фосфорилирование АДФ сопряжены протонным градиентом на внутренней мембране митохондрий Окислительное фосфорилирование - это процесс в котором АТФ образуется в результате переноса электронов из НАДН или ФАДH 2 к O 2 электронными переносчиками.

ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ Серия ферментных комплексов (переносчиков электронов), вмонтированных во внутреннюю митохондриальную мембрану, которые окисляют НАДH 2 и ФАДH 2 и транспортируют электроны к кислороду називается цепью тканевого дыхания. Последовательность переносчиков электронов в цепи тканевого дыхания cyt b NADH FMN Fe-S Co-Q Fe-S cyt c 1 cyt c cyt a cyt a 3 O 2 succinate FAD Fe-S

Компоненты электрон- транспортной цепи группируются во внутренней мембране митохондрий в дыхательные комплексы. ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ СОСТОИТ ИЗ 4 КОМПЛЕКСОВ cyt b NADH FMN Fe-S Co-Q Fe-S cyt c 1 cyt c cyt a cyt a 3 O 2 succinate FAD Fe-S I III II IV I II III IV

Високоэнергетические электроны: редокс потенциалы и изменения свободной энергии. При окислительном фосфорилировании электрон трансферный потенциал НАДН или ФАДH2 превращается в фосфорил трансферный потенциал АТФ. Фосфорил трансферний потенциал – это G°' (энергия освобождается при гидролизе фосфатного соединения). G°' для АТФ = -7.3 ккал/моль Электрон трансферный потенциал E' o, (также называется редокс потенциал, или окислительно- восстановительный потенциал).

Энергия при транспорте электронов освобождается не постоянно, а в определенном колличестве в каждом комплексе Энергия, выделенная в трех точках в цепи собирается в форме трансмембранного протонного градиента и используется для синтеза АТФ

Комплексы I-IV Коферменты: убихинон (Q) и цитохром служат связывающим звеном между комплексами ЭТЦ Комплекс IV восстанавливает O 2 к воде

Состоит из: - фермента НАДH дегидрогеназы (ФМН – прост. група) - Fe -S. Комплекс I (НАДH-убихинон оксидоредуктаза) Транспорт двух электронов от НАДH к коэнзиму Q приводит к переносу 4 ионов Н из матрикса в межмембранное пространство

Комплекс II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза) Переносит электроны от сукцината к Co Q. - фермент сукцинатдегидрогеназа -Fe-S. Сукцинат восстанавливает ФАД к ФАДH 2. Потом электроны проходят к Fe-S белкам, которые восстанавливают Q к QH 2 Комплекс II не создает протонный градиент.

Убихинон Q: - жирорастворимая молекула, - наименьшая и наибол ее гидрофобная из всех переносчиков, - дифундирует в рамках липидного бислоя, - принимает электроны от I и II комплексов и передает их на комплекс III. Все электроны должны пройти через убихинон (Q).

Комплекс III (убихинон-цитохром c оксидоредуктаза) Переносит электроны от убихинона к цитохрому c. Состоит из: цитохрома b, Fe-S кластеров и цит. c 1. Цитохромы – электрон-транспортные белки, которые содержат гем, как простетическую группу (Fe 2+ Fe 3+ ). Окисление одного QH 2 сопровождается транслокацией 4 H + через внутреннюю мембрану митохондрий. Два H + из матрикса и два от QH 2

Комплекс IV (цитохром аа3 оксидаза) Переносит электроны с цитохрома c к O 2. Состоит из: цитохромов a и a 3. Катализирует 4-ох электронное восстановление молекулярного кислорода (O 2 ) к воде (H 2 O): O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O

Реактивные формы кислорода и защита от них Если кислород принимает 4 электроны – образуются две молекулы H 2 O один электрон - супероксид анион (O 2.- ) два электрон а – пероксид (O 2 2- ). O 2.-, O 2 2- и, особенно, их реактивные продукти являются вредными для клеточных компонентов – реактивные формы кислорода или ROS. ЗАЩИТА Супероксиддисмутаза O O H + = H 2 O 2 + O 2 каталаза H 2 O 2 + H 2 O 2 = O H 2 O Антиоксидантные витамины: витамин E и C

Предложена Питером Митчелом в 1960 (Нобелевская премия, 1978) Хемиосмотическая теория: транспорт электронов и синтез АТФ объеденены протонным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий Хем и осмотич еск а я теор и я

Необходима интактная митохондриальная мембрана 2.Транспорт электронов через ЭТЦ генерирует протонный градиент 3. AТФ синтаза катализирует фосфорилирование АДФ в реакции, которая обеспечивается прохождение Н + через внутреннюю мембрану в матрикс

Искусственная система, демонстрирует хемиосмотичну теорию Синтетические везикулы содержат бактериородопсин и митохондриальную АТФ синтазу. Бактериородопсин – белок, который переносит протоны во время илюминации.

АТФ синтаза Две субъединицы F o и F 1 F 1 содержит каталитические субъединицы, где АДФ и Фн связываются. F 0 пронизывает мембрану и служит как протонный канал. Энергия, которая освобождаетсяться при падении протонов используется для синтеза АТФ.

АТФ должен транспорт иро ват ь ся в цитозоль, а АДФ и Ф н - в матрикс AДФ/ATФ перенос ч ик м е ня ет м и тохондр и альн ое ATФ на цитозольн ое АДФ Фосфат (H 2 PO 4 - ) транспорт ируется в матрикс за механ и змом симпорт а з H +. Перенос ч и к фосфат а с ниж ает pH. Активн ы й транспорт ATФ, AДФ и P н через внутр еннюю м и тохондр и альну ю мембрану

РЕГУЛЯЦ И Я ОКИС ЛИТЕЛЬН ОГО ФОСФОРИЛ ИРО ВАН И Я С о пряжен ие ткан евого дихан и я с окис лительным фосфорил ированием Транспорт электронов тесно связан с фосфорилированием. АТФ не может быть синтезирован путем окислительного фосфорилирования если нет энергии освобожденной при электронном транспорте. Электроны не проходят через электрон-транспортную цепь если АДФ не фосфорилируется к АТФ. Основные регуляторы: НАДН, O 2, AДФ Внутримитохондриальное соотношение АТФ/АДФ является контрольным механизмом Высокое соотношение ингибирует так как АТФ аллостерически связывается с комлексом IV

Регуляция скорости окислительного фосфорилирования с помощью уровня АДФ называется дыхательным контролем Д ы ха те льн ы й контроль

Раз ъединение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования Внутр ення м и тохондр и альна я мембрана содержит б е лок - разъединения. Белок-разъединения образует канал для переход а протон о в и з цитозол я в матрикс.

Раз ъединителями являются жирорастворимые слабые кислоты Раз ъединители снижают протонный градиент транспортируя протоны через мембрану Разъединители 2,4-Динитрофенол – эффективный раз ъединит ель

Перенос 3H + необходим для синтеза одной молекулы АТФ АТФ-синтазой 1 H + необходим для транспорта Фн. 4 H + используется для каждой синтезированной АTФ Для НАДН: 3 АТФ Для ФАДН 2 : 2 ATФ В ы х о д АТФ 1 2 протон о в в ы кач иваются и з матрикс а во время транспорт а дв у х э лектрон о в от НАДН к O 2 (комплекс I, III и IV)