Структура и функции дыхательной цепи. роль дыхательной цепи в создании и поддержании протонного электрохимического градиента. Градиент как носитель энергии.

Большинство компонентов дыхательной цепи представляют собой белки с различными простетическими группами. Первым компонентом является НАД-оксидаза, в качестве простетической группы выступает FMN.Вторым компонентом является 5 железо-серных белков. Они содержат пресвдокристалитеский железо-серный центр, формула состава которого может быть Fe2S2 илиFe4S4. Следующий компонент убихинон – единственный небелковый компонент. Далее следует еще 1 железо-серный белок, после которого идут цитохромы. В качестве простетич.группы они создают ген,похожий нпо строению на ген гемоглобина и отличается от него тем,что водном из пирольных колец имеется дополнительная углеводородная цепочка, что позволяет такой структуре принимать и отдавать не только протоны, но и электроны. Цитохром С- полностью погруженный в мембранный белок. Комплекс цитохромов аа3, называемый также цитохромоксидазой, содержит не только железо, но и никель и медь. Электроны передаются с железа на никель,с никеля на медь, затем на кислород, который является их терминальным акцептором.

Каждый компонент цепи может существовать в окислительном и восстановительном состоянии и таким образом характеризуются определенным потенциалом. Так потенциал NAD- оксидаза сост. -0,35В. Потенциал пары цитохром-оксидаза равен +0,83В. Поскольку электроны движутся от «-«к «+», то такая ситуация однозначно задает направление их движения по цепи.

Источником протонов и электронов для работы дыхательной цепи является окисление органических субстратов. В том случае если гидрид ионы накапливаются в составе NADH(H+), то поскольку он является мобильным коферментом он он способен непосредственно отдавать протоны и электроны NAD-оксидазе. Если же протоны и электроны запасаются в составе FADH(H+),то поскольку он явл.немобильным коферментом они передаются в дыхательной цепи с помощью 2-ух посредников: электрон переносимого флавопротеина и еще одного жезело-серного белка.при этом часть избыточной энергии электронов расходуется на деятельность посредников.

Доказано, что в живых системах дых. цепи сопряжена с синтезом АТФ. Сущ. 3 гипотезы:

1)гипотеза химического сопряжения. Согласно этой гипотезе перенос протонов и электронов в образуется некое высокоэнергическое в-во, последующий распад которого обеспечивает синтез АТФ. Несмотря на тщательные исследования такое в-во найдено не было. Если бы оно существовало,то могло бы использовываться клетками вместо АТФ.

2)гипотеза конформационного сопряжения: согласно этой гипотезе при движении электронов по дыхательной цепи изменяется конформация переносчиков на более высокоэнергитическую. Затем осущ. Релаксация, т.е. возвращение их в исходное конфармационное состояние. Выделяюаяся при том энергия обеспечивает синтез АТФ. Было обнаружено что конформация и релаксация имеют место,но выделенной энергии недостаточно для синтеза АТФ.

3)гипотеза химически осмотического сопряжения. Согласно этой гипотезе избыточная энергия электронов в гидрид ионах, получаемая при окислении органических субстратов и доставляемая в дыхательную цепь при помощи коферменто NAD(H+) и FADH(H+) используется и для создания и поддержания протонного электрохимического градиента. Все компоненты дых. цепи сгруппированы в 3 цепи, каждая из которых создать более чем 1 компонент. Формируются переносчики 2 типов: -переносящий и протоны, и электронов; -переносящий только электроны. В эукариотических клетках такая система встроена во внутр.мембрану митохондрий и при ее помощи создается и поддерживается протонный электрохимический градиент между бедными протонами матрикса и богатыми протонами межмембранного пространства. В прокариотических клетках система встроена в плазматическую мембрану, протоны секретируются в окружающую среду и градиент направлен из среды в клетку.

Переносчик А принимает NADH(H+) 2 протона и 2 электрона и транспортирует их с внутренней на внешнюю поверхность внутренней мембраны. Там пара протоном выделяется в межмебранное пространство, а пара электронов перехватывается переносчиком В и возвращает на внутреннюю поверхность внутр.мембраны. переносчик А возвращается ненагруженным. На внутр.поверхности пара электронов и пара протонов из матрикса подхватывается переносчиком С. В том случае если носителем гидрид ионов является FADH(H+) то переносчик С присоединяет протоны и электроны от него.пара протонов и электронов доставляется на внешнюю поверхность внутр.мембраны. там пары протонов выделяются в межмембранное пространство, а пара электронов присоединяется к переносчику F, который доставляет их на внутр.пов-ть внутр.мембраны. там при участии протонов из матрикса и активного кислорода происходит образование молекулы воды.

Вблизи цепочки переноса в мембрану встроен фермент АТФ-синтетаза. Он состоит из 2 частей: протонного канала, пронизывающего мембрану насквозь и субъединицы по форме напоминающий форму гриба, располагающийся со стороны матрикса. Переносимые в межмембранное пространство протоны возвращаются обратно через каналы АТФсинтетазы. грибообразная субъединица способна катализировать реакцию синтеза АТФ. она присоединяет оба субстрата- ADF и фосфат неорганический, Но энергии для последнего конформационного изменения, обеспечивающего сближение и правильную ориентацию субстратов не хватает. При перемещении пары электронов через канал, в матриксе изменяется конформация канальных белков, это передается на каталитическую часть фермента и обеспечивает необходимую энергию синтеза одной молекулы АТФ.

Если источником протонов и электронов является NADH(H+)то действие проводят 3 петли переноса, переносятся 3 пары протонов и синтезируется 3 молекулы АТФ.

Если же источником протонов и электронов является FADH(H+) то работает 2 петли, переносится 2 пары протонов и синтезируются 2 молекулы АТФ.

 

Механзмы окислительного фосфорилирования, локализация пунктов фосфорилирования в дых.цепи, сопряжение и разобщение дыхания и фосфорилирования. Роль разобщения в холодовой адаптации. Дыхательный контроль и коэффициент фосфорилирования.

Дыхание- это перенос электронов по цепи для создания и поддержания протонного электрохимического градиента. Этот процесс осуществляется постоянно, посколько этот градиент является первичным по отношения ко всем остальным. Любая мембрана представляет собой 2 проводящие поверхности разделенные диэлектриком и в этом плане аналогичны конденсатору. В то же время АТФ не может быть запасен в также как и многие в-ва. Кроме некоторого запаса носителей энергии большинство молекул АТФ используют сразу же после синтеза, поэтому клетке необходимо разобщать дыхание(перенос электронов) и окислительное фосфорилирование (синтез АТФ). В нормальных условиях коэффициент сопряжения составляет 0,7, т.е. 70% все перенесенных протонов используются для образования АТФ.

Разобщение может осуществляться следующими способами:

1)в составе каталитической части АТФсинтетазы имеется субъединица, регулирующая протоный поток, т.е. кол-во протонов которое переносится через канал за 1 раз. Чем больше количество протонов, тем меньше молекул АТФ.

2)во внутр.мембрану встроены специальные переносчики:А)протонофоры переносят протоны из межмембранного пространства в матрикс, минуя канал АТФсинтетазы. При этом изменяется химическое составляющее градиента, градиент в целом и уменьшается уровень синтеза АТФ; Б)ионофоры перемещают положительно заряженные ионы из межмембранного пространства в матрикс, изменяется электрическая составляющая градиента, градиент в целом и уровень синтеза АТФ

3)поскольку внешняя митохондриальная мембрана хорошо проницаема для большинства веществ, то часть протонов может быть использована с разными целями в цитоплазме, н-р в восстановительных биосинтезах.

4)в зависимости от потребностей клетка может условия гидролиза фосфатной связи, и следовательно изменять энергетику этого процесса (от 5,5 ккал/м до 8,5) следовательно для обеспечения одной и той же реакции может затрачено больше АТФ (при его избытке) и меньше (при его недостатке).

5)в прокариотических клетках протоны секретируются в окружающую среду, могут быть использованы в процессе аутостабилизации, т.е. для создания оптимального уровня рН.

6)в прокариотических клетках часть протонов может быть использована для приведения в действие двигательных элементов. Встроенные в мембрану жгутики или реснички приводятся при помощи специальных белковых компонентов(протонная турбина). В холодовой адаптации часть АТФ используется для образования тепла.

43.разобщение окислительного фосфорилирования и дыхания и его физиологическая роль(на примере холодовой адаптации)

Разобщение может осуществляться следующими способами:

1)в составе каталитической части АТФсинтетазы имеется субъединица, регулирующая протоный поток, т.е. кол-во протонов которое переносится через канал за 1 раз. Чем больше количество протонов, тем меньше молекул АТФ.

2)во внутр.мембрану встроены специальные переносчики:А)протонофоры переносят протоны из межмембранного пространства в матрикс, минуя канал АТФсинтетазы. При этом изменяется химическое составляющее градиента, градиент в целом и уменьшается уровень синтеза АТФ; Б)ионофоры перемещают положительно заряженные ионы из межмембранного пространства в матрикс, изменяется электрическая составляющая градиента, градиент в целом и уровень синтеза АТФ

3)поскольку внешняя митохондриальная мембрана хорошо проницаема для большинства веществ, то часть протонов может быть использована с разными целями в цитоплазме, н-р в восстановительных биосинтезах.

4)в зависимости от потребностей клетка может условия гидролиза фосфатной связи, и следовательно изменять энергетику этого процесса (от 5,5 ккал/м до 8,5) следовательно для обеспечения одной и той же реакции может затрачено больше АТФ (при его избытке) и меньше (при его недостатке).

5)в прокариотических клетках протоны секретируются в окружающую среду, могут быть использованы в процессе аутостабилизации, т.е. для создания оптимального уровня рН.

6)в прокариотических клетках часть протонов может быть использована для приведения в действие двигательных элементов. Встроенные в мембрану жгутики или реснички приводятся при помощи специальных белковых компонентов(протонная турбина). В холодовой адаптации часть АТФ используется для образования тепла.