Окислительное фосфорилирование.

После завершения цикла Кребса водород, отобранный от окисленных субстратов, находится в форме НАДН+Н⁺, то есть связан с коферментами дегидрогеназ. На следующем этапе происходит окисление восстановленных коферментов путем дегидрирования до воды, одновременно с этим за счет энергии окисления образуется АТФ. Эти окислительные процессы можно представить следующим образом:

S*Н₂ + ½ О₂ → S + H₂О

Очевидно, что этот процесс по конечному результату сходен с реакцией горения водорода в кислороде:

Н₂ + ½ О₂ Н₂О ΔG₀ = -100 кДж/моль

2Н – 2е 2Н⁺

О⁰ + 2е О^-2

За счет этой энергии происходит синтез АТФ. Известно, что максимально полезная работа получается при полностью обратимом процессе, реальные же процессы всегда не обратимы, поэтому величина полезной работы будет тем больше, чем в большей степени процесс приближается к равновесному. Организм превращает в полезную работу приблизительно 40% той энергии, которая выделяется при окислении субстратов и достигается это постепенным переносом протонов и электронов от субстратов к молекулярному кислороду. Увеличение числа промежуточных стадий способствует приближению реального процесса к равновесному, весь процесс тканевого дыхания протекает в митохондриях клетки. Митохондрия имеет форму цилиндра с закругленными краями, количество митохондрий в клетках различно: от 100-2 тысяч, они имеют внутреннюю и наружную мембраны, разделенные межмембранным пространством. Внутренние мембраны образуют складки – это так называемые кристы, содержимое пространство, которое ограничено внутренней мембраной, называется матриксом. Внутренние и внешние мембраны отличаются по составу и функциям, так, внешние мембраны проницаемы для молекул с молекулярной массой до 5 тысяч, а проницаемость внутренних мембран ограничена, следовательно, состав матрикса и состав межмембранного пространства отличается. Матрикс на 50 % состоит из белков, а во внутренней мембране митохондрий встроен ферментный ансамбль дыхательной цепи, который называется цепью передачи электронов – ЦПЭ. Ансамбль состоит из трех жесткозакрепленных ферментных комплексов, первый ферментный комплекс состоит из дегидрогеназ с коферментом ФМН, который переносит водород с НАДН на ФМН и далее на кофермент Q (убихинон).

НАДН + Н⁺ + ФМН ФМН*Н₂ + НАД⁺

ФМН*Н₂ + Q ФМН + Q* Н₂

Перенос водорода включает в себя много этапов, участвует ряд промежуточных переносчиков, разделяющих отдельно перенос электронов и протонов, в этом переносе участвуют цитохромы, представляющие собой гемопротеины. Атом железа в геммах цитохрома может менять валентность:

Fe³⁺ + e Fe²⁺

 

Рис.: Сопряжение дыхания и синтеза АТР (окислительного фосфорилирования).

I – NADH – дегидрогеназа; II – сукцинатдегидрогеназа; III – OH₂ – дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V – АТР – синтаза.

Наружная мембрана митохондрий

Межмембранное пространство

nH⁺ nH⁺ nH⁺

 

+ + ++ + +

Внутренняя 2e^- Q 2e^-

Мембрана 2e^- 2e^- 2e^-

Митохондрий

NADH NAD⁺ Фумарат 1/2О₂ Н₂О

Сукцинат V

Оксалоацетат Малат ADP + H₃PO₄

H⁺

ATP

АТР

Матрикс

 

АDP

 

Присоединение электрона в такой структуре и его отдача вызывают изменение лишь электронной конфигурации атома металла, не затрагивая структуру белков. Цитохромы дыхательных путей обозначаются как: b, c₁, с, a a₃ и располагаются в цепи между убихиноном и кислородом: b c₁ с a a₃

Кроме железа, входящего в состав цитохромов, в митохондриях имеются белки, содержащие негемовое железо, их называют железосерными белками. В них атомы железа связаны с атомами серы боковых цистеиновых остатков аминокислот:

 

Fe

цис - S S – цис

цис - S S – цис

Железосерные белки входят в комплекс дыхательной цепи, выполняя роль простетической группы в процессе переноса электронов. Комплекс III, цитохромов b, c₁ действует как QH₂ - дегидрогеназа:

QH₂ + 2с (Fe³⁺) Q + 2Н⁺ + 2с (Fe²⁺)

Электроны последовательно проходят через атомы железа цитохромов b, c₁ функционируют как Q∙H₂ - дегидрогеназа, а протоны высвобождаются в раствор. Стехиометрический коэффициент 2 перед цитохромом с означает, что с QH₂ передается 2 электрона, а цитохромы за один цикл могут передать только 1 электрон. Комплекс IV, действует как цитохромоксидаза, он помимо гемма содержит ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов с цитохрома с на кислород, при этом электроны соединяются последовательно к ионам железа а1, а3, затем к меди, затем к кислороду. Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в цитохроме а3 в форме молекулы кислорода в молекулярном виде. Затем каждый из атомов молекулы кислорода последовательно присоединяет по два электрона и по два протона, превращаясь в молекулу воды. В дыхательной цепи имеется комплекс II, где осуществляется перенос электронов от сукцината, образующегося в цикле Кребса, направление потока электронов в дыхательной цепи при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы с другой определяется их стандартными окислительно-восстановительными Red/Ox потенциалами. Эти величины для компонентов цепи и субстратов приведены в таблице, их величины:

 

КОМПОНЕНТ	СИСТЕМА	Е^0, В
1) Дыхательная цепь	НАД^+/НАДН+Н^+	-0,32
	ФМН/ ФМН* Н2	-0,12
	ФАД/ ФАД* Н2	-0,05
	Q/ QH2	0,0
	Цитохром b (Fe^3+, Fe^2+)	0,07
	Цитохром с1 (Fe^3+, Fe^2+)	0,22
	Цитохром с (Fe^3+, Fe^2+)	0,26
	Цитохром а (Fe^3+, Fe^2+)	0,29
	Цитохром а3 (Fe^3+, Fe^2+)	0,55
	½ О2/ Н2О	0,82
2) Субстраты	Фумарат/ Сукцинат	0,03
	ЩУК/ Малеиновая кислота	-0,17
	Пируват/ Лактат	-0,19

 

В связи с тем, что Red/Ox потенциалы определяют сродство к электрону, то для любых двух пар система с более положительным потенциалом будет стремиться принимать электроны и, как видно, в дыхательной цепи Red/Ox потенциалы переносчика электронов становятся более положительными. Поэтому, электроны передаются в дыхательной цепи внутри мембраны, а протоны высвобождаются в межмембранное пространство. Протоны необходимы для восстановления той ФМН, которая поступает из матрикса.

Таким образом, ЦПЭ работает как протонный насос, перекачивая ионы водорода из матрикса на наружную сторону мембраны, в результате, по разные стороны от внутренней мембраны возникает разность концентраций ионов водорода и одновременно разность потенциалов на поверхности. Следовательно, разность окислительно-восстановительных потенциалов трансформируется в энергию ΔµН⁺. Электрохимический потенциал заставляет протоны двигаться с наружной поверхности во внутреннюю, однако, мембраны в обратном направлении не проницаема для них, за исключением протонных каналов (V комплекс). В области этих каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны располагается фермент Н⁺ АТФ-синтетаза, катализирующая синтез АТФ. Образующиеся молекулы, которые транспортируются из матрикса на наружную сторону мембраны и попадают в цитозоль. На синтез 1-ой молекулы АТФ, Δ Е⁰>0,2 В, требуется энергия не менее 31 кДж/моль, то есть в дыхательной цепи имеются 3 участка (I, III, IV), где высвобождение энергии достаточно для синтеза АТФ, следовательно, перенос пары электронов от НАДН в итоге дает нам образование 3-х молекул АТФ, а ФАД – 2-х молекул АТФ. Известно, что человек за сутки из воздуха потребляет приблизительно 67 литров (27 молей) кислорода, подавляющая его часть (90%) восстанавливается до воды при участии дыхательной цепи, за это же время в митохондриях синтезируется 62 кг АТФ, однако, содержание АТФ в организме составляет около 50 грамм, вследствие того, что каждая молекула АТФ расщепляется и регенерируется 2,5 тыс. раз в сутки, средняя продолжительность ее жизни меньше 1-ой минуты.

 

Биосинтезы

Биосинтез ДНК. Репликация.

Синтез новой дочерней цепи ДНК происходит на одной из цепей материнской ДНК как на матрице, поэтому последовательность оснований в цепи-матрице определяет последовательность оснований в новой цепи: против аденина в цепи матрицы в дочернюю цепь всегда пристраивается тимин, а против гуанина − цитозин и наоборот. В результате новая цепь ДНК является копией старой, поэтому этот процесс называется репликацией, то есть копированием. Репликация ДНК начинается с того, что её двойная спираль освобождается от гистонов, и обе цепи молекулы расходятся. После этого каждая из материнских цепей будет служить матрицей, на которой пойдёт синтез новой цепи ДНК. Раскручивание начинается в определенной точке ДНК, называемой точкой инициации. Инициация синтеза у простых организмов происходит в одной точке, а у животных в нескольких точках. Та часть молекулы ДНК, которая уже расплелась и в данный момент служит матрицей для синтеза дочерней цепи, называется репликационной вилкой.

Двойная спираль в обычных условиях довольно стабильна. Спаренные основания соединены так прочно, что для разделения двух цепей ДНК в пробирке нужна температура ~90^оС, а для того, чтобы спираль раскрутилась, в клетке необходимы специальные ферменты: белки ДНК – геликазы и белки, дестабилизирующие спираль (SSВ-белки). В ходе репликации ферменты перемещаются вдоль молекулы ДНК, при этом расплетаются всё новые участки родительской цепи до тех пор, пока репликационная вилка не дойдёт до точки окончания синтеза – точки терминации. Чтобы расплетённые цепи опять не соединились, каждая цепь связывается с несколькими молекулами дестабилизирующего белка, которые соединяются с одиночными цепями белка, не закрывая нуклеотидных оснований.

Мономерами для новой цепи ДНК являются одиночные дизокси нуклиозидтрифосфаты. В ходе реакции от каждого из них отщепляется пирофосфатный остаток, так как включение каждого мономера в молекулу ДНК требует затраты высокоэнергетических связей.

Способность азотистых оснований молекул различных нуклеиновых кислот узнавать друг друга путём нековалентного взаимодействия называется спариванием оснований. Спаривание оснований лежит в основе механизмов наследственности. Фермент, катализирующий соединения друг с другом свободных нуклеотидов с образованием новой цепи ДНК, называется ДНК-полимеразой. Она присоединяет дезоксирибонуклеозидтрифосфат к ОН-группе на 3¹ одной из цепей, при этом две концевые фосфатные группы (пирофосфат) отщепляются, а высвобождаемая энергия используется для связи между нуклеотидами. Так как считывание информации происходит от 3¹-конца цепи к ее 5¹-концу, то новая цепь растет в направлении 5¹→3¹ и антипараллельна цепи-матрице.

Поскольку две цепи родительской ДНК антипараллельны, то только одна из новых цепей может синтезироваться в направлении 5¹→3¹. На второй цепи-матрице синтез новой цепи должен был бы идти в направлении 3¹→5¹, однако, поскольку не существует фермента, катализирующего полимеризацию нуклеотидов в этом направлении, то и вторая цепь также синтезируется в напрвлении 5¹→3¹, но короткими фрагментами, называемыми фрагментами Оказаки по имени ученого, открывшего их. У бактериальной клетки число этих фрагментов достигае 1-2 тысяч, а у клеток эукариот – всего 100-200. Фрагменты потом сшиваются с помощью фермента ДНК-лигазы путем связывания 5¹-фосфата одного фрагмента с 3¹-ОН-группой другого, в результате чего образуется непрерывная вторая цепь ДНК.

Цепь ДНК, синтезируется непрерывно и называется лидирующей, а другая, синтезируемая короткими фрагментами − отстающей. Ведущая цепь растёт непрерывно, так как непрерывно работает ДНК-полимераза, а на отстающей цепи этот фермент работает через определенные промежутки времени, когда начинает действоваь РНК-затравка. Она синтезируется из рибонуклеозидтрифосфатов с помощью фермента ДНК-праймазы и состоит у эукариотов из 10 нуклеотидов. РНК-праймазы синтезируются с определенными интервалами на матрице и являются точками инициации синтеза фрагментов Оказаки, предоставляя свою свободную 3¹-ОН-группу для присоединения первого нуклеотида ДНК. ДНК-полимераза присоединяет один нуклеотид за другим до тех пор, пока не достигнет РНК-затравки, присоединенной к 5¹-концу предыдущего фрагмента ДНК.

Итак, в результате синтеза новой цепи ДНК происходит репликация (копирование), материнской цепи ДНК и ее удвоение, при этом каждая новая молекула состоит из одной «старой» и одной «новой» полинуклеотидной цепи. Т акая репликация называется полуконсервативной. Периодичность репликации ДНК совпадает с периодичностью митоза, то есть процесса деления клеток, при котором каждая из вновь возникающих клеток получает генетический материал, идентичный исходной клетке.

 

Биосинтез РНК

Синтез РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией (переписыванием), происходит в ядре клеток с помощью РНК-полимерозы.

Рибонуклеиновые кислоты содержатся во всех живых клетках виде одноцепочных молекул, которые, как и ДНК, состоят из нуклеотидов, однако в состав нуклеотидов РНК место дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина − другое пиримидиновое основание − урацил. Отдельные участки нуклеотидной цепи РНК связываются водородными связями.

Синтез белков, информация о строении которых зашифрована в последовательности расположения нуклеотидов в цепи ДНК, происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме. Следовательно, для осуществления этого синтеза необходимо перенести генетическую информацию из ядра в цитоплазму. Таким посредником в синтезе белка является одна из рибонуклеиновых кислот − информационная РНК (иРНК), называемая также матричной РНК (мРНК). В синтезе белка участвуют также транспортные тРНК и рибосомные рРНК.

Нуклеотиды, из которых синтезируются РНК, присоединяются к лидирующей цепи по принципу комплементарности, который имеет место при репликации ДНК, и с помощью РНК-полимеразы соединяются между собой, образуя полинуклеотидную цепь РНК. Количество РНК в каждой клетке зависит от количества синтезируемого белка. Молекулы РНК менее стабильны, чем молекулы ДНК, поэтому именно ДНК используется в качестве хранилища генетической информации.

Информационные РНК

На долю иРНК приходиться 3-5% всех, они имеет самое простое строение − одноцепочная молекула, состоящая из 70-10000 нуклеотидов. При синтезе иРНК на одной из цепей ДНК происходит спаривание оснований так же, как и при воспроизводжстве самой ДНК: присутствие аденина в матричной цени ДНК определяет присоединение урацила к образующейся цепи РНК, а цитозина − присоединение гистидина.

 

Поскольку иРНК образуются непосредственно на цепи ДНК и являются её копией, то информация о последовательности аминокислотных остатков, записанная с помощью нуклеотидных оснований в ДНК превращается в последовательность комплиментарных оснований на молекуле РНК. В этом генетическом коде одной аминокислоте белка соответствует набор 3-х оснований – триплет, расположенных в определённой последовательности. Этот триплет оснований называется кодоном. Четыре основания аденин A, урацил U,гуанин G и цитозин С можно комбинировать 64 способами, и, поскольку эти 64 комбинации используются для кодировки 21-ой аминокислоты, то генетический код является вырожденным, то есть одна аминокислота кодируется несколькими различными комбинациями. Генетические коды для различных аминокислот приведены на рисунке…

Три триплета (UUA, UAG, UGA) кодируют окончание синтеза – терминацию (стоп-кодоны), о один (AUG) кодирует начало синтеза белковой молекулы с метионина.

Длина иРНК зависит от длины полипептидной цепи, которую она кодирует. Поскольку иРНК служит для синтеза белка, то она существует пока идёт синтез (от нескольких минут у бактерий до нескольких дней у млекопитающих).

 

Рибосомные РНК

Рибосомы сами являются белками и содержат 70-80 различных белков. Функции рРНК сводятся к способствованию присоединения иРНК к ферментам, катализирующим процесс образования полипептидной цепи.

Количество рибосом в клетках колеблется от нескольких десятков тысяч у бактерий до миллиона и больше у эукариотов. Гены, кодирующие структуру рРНК, находятся в ядрышке. Все рибосомы состоят из двух фрагментов большого и маленького. Маленький состоит из 21-ого белка разной структуры и одной молекулы РНК массой около миллиона, а большой из 35 различных белков и знчительно большей молекулы рРНК (молекулярная масса ~1000 000).

Большой и маленький фрагмент могут легко отщепляться друг от друга(диссоциировать) и соединяться во время синтеза белка в одну большую частицу (рекомбинировать).

Транспортные РНК

Транспортные РНК участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного звена между нуклеиновыми кислотами и белками. Их функция заключается в том, что они переносят аминокислоты на рибосомы, где идёт синтез белка. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, то число известных тРНК больше 21-ой, их известно около 60-ти.

тРНК самые короткие из рибонуклеиновых кислот. Они состоят примерно из 80 нуклеотидов, их молекулярная масса сравнительно низка − 25-30 тысяч. Молекулы всех тРНК имеют сходную форму, их цепь изгибается так, что напоминает лист клевера или клена (рисунок). Эта форма поддерживаются водородными связями, возникающими между комплементарными нуклеотидными основаниями цепи. На 5¹-конце молекулы всегда находится гуанин, а на 3¹-конце группа ССА, к которой присоединяется аминокислота. Последовательность нуклеотидов в цепи остальной части молекулы разная.

Транспортные РНК должны выбрать из 21-ой аминокислоты свою, перенести ее к рибосоме и расположить в синтезируемой полипептидной цепи в той последовательности, которая закодирована в иРНК. Связывание тРНК со своей аминокислотой происходит с помощью фермента аминоацил-тРНК-лигазы. Этот процесс является активацией аминокислот и происходит в две стадии. Сначала аминокислота реагирует с АТФ, образуя соединение с макроэргической связью − аминоациладенилат. С него аминокислотный остаток переносится на 3¹-ОН-группу рибозы концевого остатка ССА тРНК, который у всех тРНК одинаков, и при этом отщепляется нуклеотид АМФ и образуется комплекс аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Суммарная реакция образования аа-тРНК может быть записана следующим образом:

АМК + тРНК +АТФ → аа-тРНК +Н₄Р₂О₇ + АМФ

 

В вершине листа молекулы тРНК находится участок, состоящий из 3-х нуклеотидов, последовательность которых строго соответствует коду переносимой кислоты. Этот участок является антикодоном кодону в молекуле иРНК, который он узнает за счет спаривания оснований путем образования между ними водородных связей при условии, что полинуклеотидные цепи ТРНК и иРНК антипараллельны:

иРНК 5¹ – U U C – 3¹ (кодон)

тРНК 3¹ –А А G – 5¹ (антикодон)

За счет этих водородных связей тРНК прикрепляется к иРНК.

 

Трансляция (биосинтез белка)