Строение митохондриальной ЦПЭ

· протекает на внутренней мембране митохондрий

· функционируют 3 ферментных комплекса (I, III, IV)

· компоненты располагаются в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала, т.е. окислительные свойства (способность забирать электроны) возрастает от начала цепи; самый сильный – кислород.

· В ЦПЭ существуют подвижные и неподвижные компоненты.

а) НАДН-ДГ (-дегидрогенеза) – неподвижный компонент.

Это первый ферментный комплекс.

Его называют первым участком сопряженного синтеза АТФ.

Имеет кофермент ФМН (флавинмононуклеотид) и FeS.

Принимает электроны и протоны от НАДН+Н⁺.

б) Кофермент Q10 (убихинон) – подвижный компонент.

Синтезируется из промежуточных продуктов биосинтеза холестерола.

Принимает электроны и протоны и от первого компонента ЦПЭ, и от второго (ФАД∙Н₂).

в) Система цитохромов – сложные белки гемопротеины

Имеют в составе Fe, который может менять валентность при переносе электронов (2+ → 3+).

Цитохромы переносят только электроны.

· bc1 – неподвижный компонент

Третий ферментный комплекс (QН₂-ДГ).

Второй участок сопряженного синтеза АТФ.

· с – подвижный компонент

· аа3 – неподвижный компонент

Четвертый ферментный комплекс (цитохромоксидаза – передает электроны на кислород).

Третий участок сопряженного синтеза АТФ.

Содержит Cu²⁺

Таким образом, все ферментные комплексы – неподвижные компоненты.

 

Существует пятый ферментный комплекс – АТФ-синтаза – осуществляет синтез АТФ.

 

Все ферментные комплексы ЦПЭ (места сопряженного синтеза) были изучены с помощью ингибиторов ЦПЭ - веществ, блокирующих процесс переноса электронов по ЦПЭ:

I ФК блокируется ядом ротеноном и аминобарбиталом

III ФК – антибиотиком антимицином-Д

IV ФК – цианидами, угарным газом

V ФК – антибиотиком олигомицином.

 

Механизм переноса электронов и образования воды

Электроны могут поступать в ЦПЭ от НАДН+Н⁺ и ФАД∙Н₂.

От НАДН+Н⁺ - в начало цепи, от ФАД∙Н₂ – на Q10.

НАДН+Н⁺ отделяется от фермента и поступает к внутренне мембране митохондрий.

Отделяется 2Н (в виде 2е^- и 2Н⁺) и пуступает к первому участку дыхательной цепи – к НАДН-ДГ (сначала на ФМН, потом на FeS).

От I ФК е^- и Н⁺ передаются на Q10. Он становится QH₂.

От QH₂ по системе цитохромов передаются только электроны, а протоны поступают матрикс и идут на восстановление воды.

От ФАД∙Н₂ е^- и Н⁺ поступают на Q10 и двигаются точно также (цепь укорочена).

На этом тканевое дыхание заканчивается.

 

Роль передачи электронов в синтезе АТФ

В начало цепи поступают электронов, богатые энергией.

В процессе переноса из-за разности ОВ-потенциала они теряют эту энергию на каждом участке (около 200 кДж). Этого хватило бы на синтез 4 молекул АТФ, но синтезируется всего 3. Остальная энергия рассеивается для поддержания температуры тела.

Больше всего свободной энергии выделяется в трех участках. Они называются участками сопряженного синтезаАТФ (I, III, IV ФК).

Свободная энергия Гиббса, которая выделяется при переносе электронов в трех участках. Направлена на выталкивание протонов из матрикса в межмембранное пространство.

В результате наружная сторона внутренне мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.

Создается трансмембранный электрохимический протонный градиент. Он необходим для последующего синтеза АТФ.

Протоны по своему градиенту стремятся вернуться назад в матрикс. Но внутренняя мембрана для них не проницаема, и они возвращаются в матрикс через специфический F1-комплекс (АТФ-синтаза, V ФК).

 

F1-комплекс состоит из двух частей:

· F0 – канал в мембране (из 6 субъединиц)

· F1 = фермент АТФ-синтаза – синтез АТФ при прохождении протонов (6 субъединиц).

Каждая пара протонов, проходящая через F1-комплекс, активирует АТФ-синтазу, которая синтезирует 1 молекулу АТФ.

 

Таким образом, если е^- и Н⁺ поступают в начало цепи (от НАДН+Н⁺), то в процессе сопряженного синтеза образуется 3 АТФ. Если от ФАД∙Н₂, то - 2 АТФ.

Следовательно, за счет 4 реакций ЦТК синтезируется 11 АТФ (3х3+1х2).

 

Коэффициент фосфорилирования (р/о) - количество АТФ, которое образуется при переносе электронов к одному атому кислорода. Он может быть равен 3, 2, 1.

 

Теорию создания протонного градиента и его роль в синтезе АТФ создал Митчелл (хеми-осмотическая теория):

«Компоненты дыхательной цепи расположены строго определенным образом так, что при передаче пары электронов по ЦПЭ энергия, выделяющаяся в трех участках, направлена на выталкивание протонов в межмембранное пространство. В результате создается трансмембранный электрохимический протонный градиент – движущая сила синтеза АТФ» (путем окислительного фосфорилирования).

 

Существуют вещества, которые (как и ингибиторы дыхательной цепи) снижают синтез АТФ. Это разобщители окислительного фосфорилирования.

Они легко проникают через внутреннюю мембрану митохондрий, связывают Н⁺ (протонофоры) или другие положительно заряженные ионы (ионофоры) и переносят их назад в матрикс.

Следовательно, протонный градиент не создается, АТФ не синтезируется.

Этими веществами являются 2,4 – динитрофенол, жирные кислоты, тироксин в избытке.

 

Дыхательный контроль

Если в организме количество АДФ увеличено, то активируется все тканевое дыхание, окисление субстратов и синтез АТФ.

И наоборот.

 

 

ТЕМА 6