Дыхательная цепь, челночные механизмы

Дегидрирование субстратов и восстановление кислорода (образование воды) как источник энергии для синтеза АТФ.

АТФ – чрезвычайно важная молекула клетки. Она непрерывно синтезируется и используется. Энергия для синтеза АТФ поступает от субстратов, поставляющих электроны в ходе их дегидрирования. Электроны извлекаются из субстратов в ходе гликолиза (в цитозоле), при преобразовании пирувата в ацетил-СоА и в цикле трикарбоновых кислот (в митохондриальном матриксе). Молекулы НАДН и ФАДН₂ переносят эти электроны в дыхательную цепь, локализованную в во внутренней митохондриальной мембране.

Дыхательная цепь состоит из переносчиков электронов, сгруппированных в 4 ферментативных комплекса, и ферментов. Особенность переносчиков электронов дыхательной цепи в том, что каждый способен принимать электроны от предыдущего и отдавать последующему. Прием и передача электронов молекулами переносчиков происходит упорядоченно в соответствии с их окислительно-восстановительными (редокс) потенциалами.

Редокс-потенциал молекулы характеризует способность соединения участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Т.е. под редокспотенциалом молекулы понимают еѐ способность присоединять электрон и при этом восстанавливаться или отдавать его и при этом окисляться. В начало дыхательной цепи электроны вносит НАДН – он обладает самым низким редокс-потенциалам, то есть самой низкой способностью удерживать приобретенные электроны. В конце дыхательной цепи находиться кислород – его редокс-потенциал самый высокий, его способность принимать электроны уступает только фтору. Электроны, перемещаясь по компонентам дыхательной цепи в сторону кислорода, совершают полезную работу по переносу протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство (рис. 13). В межмембранном пространстве накапливаются протоны из митохондриального матрикса.

40-45% энергии, выделяемой при перемещении электронов, используется для создания протонного градиента, который, в свою очередь расходуется на синтез АТФ. 20-25% этой энергии используется для транспорта необходимых субстратов. Остальная энергия рассеивается в виде тепла, поэтому митохондрии место теплообразования.

Таким образом, за счет движения электронов по дыхательной цепи создается протонный градиент и значительный трансмембранный электрохимический потенциал между межмембранным пространством и митохондриальным матриксом (его обозначают ∆μН⁺ = 0,25 Вольта). ∆μН⁺ складывается из ∆Ψ = 0,2 Вольта (это электрический потенциал, обусловленный разными зарядами по обе стороны мембраны, на наружной стороне мембраны заряд более положительный, связанный с положительным зарядом протонов) и ∆Н⁺ = 0,05 Вольта (химический потенциал, обусловленный различной концентрацией протонов по обе стороны мембраны). Энергия этого электрохимического мембранного градиента затем используется для синтеза АТФ (еѐ использует АТФ-синтетазный комплекс, комплекс V) и транспорта необходимых субстратов.

Согласно закону Фарадея: ΔG = - n•F•ΔE, где F – число Фарадея равно 96,5 кДж/моль•вольт

В данном случае ΔE(ЭДС) = ∆μН⁺ =0,25 Вольта. При трансмембранном прохождении 2 моль Н⁺ ΔG= - 2•96,5•0,25= -48,25 кДж, этой энергии вполне хватает на синтез одного моля АТФ.

Эндогенная вода

Эндогенной называется вода, возникающая в клетках в основном при функционировании дыхательных цепей в митохондриях. Некоторое количество эндогенной воды образуется при микросомальном окислении и при разложении пероксида водорода. У взрослого человека в сутки возникает 400÷450 мл эндогенной воды.

Каталаза присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода:

Н₂О₂ + Н₂О₂ → О₂ + 2 Н₂О

Глутатионпероксидаза также присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода. Содержит селеноцистеин в активном центре. 2 Глутатион-SH + Н₂О₂ → Глутатион-SS + 2Н₂О

 

Глутатионпероксидаза также восстанавливает гидропероксиды липидов.

В конце дыхательной цепи электроны взаимодействуют с кислородом с последующим присоединением к восстановленному кислороду протонов из матрикса с образованием воды: 4е^- + 4Н⁺ + О₂ → 2Н₂О.

Особенность образования воды в этой реакции состоит в том, что в неѐ входят электроны с цитохромооксидазы, имеющей достаточно высокий редокс-потенциал, и в процессе предачи электронов на кислород выделяется не так много энергии. Поэтому роль многочисленных промежуточных переносчиков электронов, локализованных во внутренней митохондриальной мембране, состоит в постепенном выделении энергии при переносе электронов по цепи дыхательных ферментов с использованием ее для создания протонного градиента на внутренней мембране митохондрии. Если бы не было промежуточных переносчиков электронов, то разом выделяющаяся тепловая энергия разрушила бы митохондриальную мембрану.