Молекулярна організація дихального ланцюга мітохондрій

Локалізація білків-переносників та коферментів у дихальному ланцюзі залежить від значення стандартного окисно-відновного потенціалу (ОВП) (синонім: редокс-потенціал) кожного з них. Транспорт електронів від одного переносника до іншого в дихальному ланцюзі відбувається в напрямку зростання ОВП – починається із субстратів окиснення, які мають значення редокс-потенціалу в межах -700 мВ, і закінчується киснем з ОВП +800 мВ.

Чим більше негативне значення редокс-потенціалу переносника, тим більша його здатність віддавати електрони (відновні властивості). Чим більш позитивне значення має ОВП переносника, тим більша його здатність приймати електрони (окисні властивості).

На рис. 16 наведена послідовність переносників дихального ланцюга відповідно до їх значень окисно-відновного потенціалу.

Рисунок 16 - Значення окисно-відновного потенціалу перенос-ників дихального ланцюга

Рисунок 17 - Схема дихального ланцюга мітохондрій

 

 

На рис. 18 наведена схема послідовності переносників електрон-транспортного ланцюга мітохондрій, яка забезпечує транспорт електронів із субстратів окиснення (SH₂) на кисень. Відновні еквіваленти вводяться в дихальний ланцюг за участі НАД- та ФАД-залежних дегідрогеназ, які окислюють відповідні субстрати. Ни рис. 16 показані субстрати окиснення для НАД-залежних дегідрогеназ (піруват, α-кетоглутарат, ізоцитрат, малат та ін.) та ФАД-залежних дегідрогеназ (сукцинат, жирні кислоти та ін.).

Далі електрони з НАДН ^. Н⁺ транспортуються через НАДН-дегідрогеназу на убіхінон. НАДН-дегідрогеназа – це флавопротеїн, який містить ФМН. Саме наявність ФМН у складі цього ферменту дозволяє транспортувати відновні еквіваленти, які спочатку відновлюють ФМН, а потім при передачі їх на убіхінон відбувається окиснення цієї простетичної групи.

Крім того, убіхінон збирає відновні еквіваленти від ФАД-залежних дегідрогеназ, однією з яких є сукцинатдегідрогеназа (ФАД-залежний фермент).

З убіхінону електрони передаються послідовністю цитохромів (рис. 16) на кисень, який надходить у мітохондрії з крові. Іон заліза у складі цитохрому а₃ зв’язує цей кисень подібно до приєднання кисню в молекулі гемоглобіну. Далі кожний з атомів О₂ приєднує по 2 протони і 2 електрони – відбувається відновлення кисню до ендогенної води:

4ē +О₂ + 4Н⁺→ 2Н₂О.

За добу в організмі людини утворюється 300-400 мл такої метаболічної води.

У 1960-х роках американський вчений Д. Грін розробив методи виділення та очищення компонентів дихального ланцюга та показав, що деякі переносники міцно зв’язані та виділяються разом – це комплекси дихального ланцюга. На сьогодні відомо чотири комплекси (на рис. 16 вони позначені I, II, III, IV), які вбудовані в біліпідний шар та нагадують айсберги, що вільно рухаються в мембрані й можуть контактувати з водною фазою матриксу, міжмембранним простором та між собою (рис. 17).

 

Комплекси дихального ланцюга:

I комплекс – НАДН-дегідрогеназа (НАДН-убіхінон оксидоредуктаза) має дві функції: окислює НАДН ^. Н⁺ - переносить від нього 2 електрони на убіхінон та транспортує 4Н⁺ з матриксу у міжмембранний простір.

II комплекс – сукцинатдегідрогеназа (сукцинат- убіхінон оксидоредуктаза) забезпечує додатковий шлях для входу електронів у дихальний ланцюг за рахунок окиснення сукцинату.

III комплекс – цитохром с редуктаза (убіхінон-цитохром с оксидоредуктаза) містить цитохроми b та c₁, транспортує 2 електрони з убіхінону на цитохром с та забезпечує викачування 4 протонів з матриксу в міжмембранний простір.

IV комплекс – цитохром с оксидаза містить цитохроми а та а₃, транспортує 2 електрони на кисень та одночасно переносить 2 протони в міжмембранний простір.

 

Рисунок 18 - Схема розташування комплексів дихального ланцюга

 

Робота дихального ланцюга приводить до синтезу молекул АТФ – це окисне фосфорилювання, механізми якого будуть розглянуті нижче. Між тим необхідно звернути увагу на те, що для синтезу 1 молекули АТФ потрібно приблизно 32 кДж/моль енергії. Така енергія виділяється в разі якщо різниця окисно-відновного потенціалу між переносниками в дихальному ланцюзі становить не менше 260 мВ.

 

 

Було встановлено, що в електрон-транспортному ланцюзі існують три ділянки з таким перепадом окисно-відновного потенціалу і вони відповідають комплексам I, II та IV. Ці ділянки були названі пунктами спряження з окисним фосфорилюванням, тобто при транспорті електронів через ці ділянки виділяється достатньо енергії для синтезу молекули АТФ (рис. 17).

Електрони, що транспортуються з НАДН ^. Н⁺, проходять три пункти спряження, тобто виділяється достатня кількість енергії для синтезу 3 молекул АТФ. Перенесення електронів з ФАДН₂ відбувається лише через два пункти спряження (рис. 16), тому можливий синтез лише 2 молекул АТФ. Саме тому завжди реалізація енергії НАДН ^. Н⁺ супроводжується синтезом 3 АТФ, для ФАДН₂ – 2 АТФ.