Митохондриальная дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование

Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.

14.1.1. В пируватдегидрогеназной реакции и в цикле Кребса происходит дегидрирование (окисление) субстратов (пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результате этих реакций образуются НАДН и ФАДН2. Эти восстановленные формы коферментов окисляются в митохондриальной дыхательной цепи. Окисление НАДН и ФАДН2, протекающее сопряжённо с синтезом АТФ из АДФ и Н3РО4 называется окислительным фосфорилированием.

Схема строения митохондрии показана на рисунке 14.1. Митохондрии представляют собой внутриклеточные органеллы, имеющие две мембраны: наружную (1) и внутреннюю (2). Внутренняя митохондриальная мембрана образует многочисленные складки – кристы (3). Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, носит название матрикс (4), пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами, - межмембранное пространство (5).

Рисунок 14.1. Схема строения митохондрии.

14.1.2. Дыхательная цепь – последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду – конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи – внутренняя митохондриальная мембрана.

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2. Ферментные комплексы дыхательной цепи (обозначены участки сопряжения окисления и фосфорилирования):

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки).

II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки).

III. KoQН2-цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1, железосерные белки).

IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3, ионы меди Cu2+).

14.1.3. В качестве промежуточных переносчиков электронов выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

Убихинон (KoQ) – жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q – перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III).

Цитохром с – сложный белок, хромопротеин, простетическая группа которого – гем – содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в восстановленной форме). Цитохром с является водорастворимым соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с – перенос электронов в дыхательной цепи от комплекса III к комплексу IV.

14.1.4. Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны – молекулярный кислород.

На рисунке 14.3 представлено строение реакционноспособного участка некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и их взаимопревращение.

Рисунок 14.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов.

14.1.5. Механизм синтеза АТФ описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя – отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 14.4).

Рисунок 14.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий.

Протоны, выведенные в межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+-зависимой АТФ-синтетазой (Н+-АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 10.4): водорастворимой каталитической части (F1) и погружённого в мембрану протонного канала (F0). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ.

14.1.6. Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме для обеспечения разнообразных биохимических и физиологических процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических веществ из более простых (реакции анаболизма);

2) сокращение мышц (механическая работа);

3) образование трансмембранных биопотенциалов;

4) активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Коэффициент фосфорилирования.

14.2.1. Степень сопряжённости окисления и фосфорилирования в митохондриях характеризует коэффициент фосфорилирования (Р/О). Он равен отношению количества молекул неорганического фосфата (Н3РО4), перешедшего в АТФ, к количеству атомов потреблённого кислорода (О2).

Например, если донором водорода для дыхательной цепи является молекула НАДН, то электроны от донора (НАДН) к акцептору (кислород) проходят 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (I, III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 3 молекулы АТФ (3 АДФ + 3 Н3РО4 → 3 АТФ). Затрачивается 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 3/1 = 3.

Если донором водорода будет молекула ФАДН2, то электроны в дыхательной цепи проходят 2 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 2 молекулы АТФ (2 АДФ + 2 Н3РО4 → 2 АТФ). Затрачивается, как и в предыдущем случае, 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 2/1 = 2.

14.2.2. Более сложный пример расчёта коэффициента фосфорилирования – при окислении пирувата до конечных продуктов - показан на рисунке 14.5. В этом метаболическом пути происходит дегидрирование 4 субстратов (пирувата, изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) с образованием НАДН и одного субстрата (сукцината) с образованием ФАДН2. Восстановленные коферменты окисляются в дыхательной цепи, и в сопряжённых реакциях фосфорилирования образуется (4×3 АТФ + 1×2 АТФ)=14 молекул АТФ. Ещё 1 молекула АТФ (ГТФ) образуется в реакции субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-КоА. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы пирувата образуется 15 молекул АТФ (из них 14 - путём окислительного фосфорилирования).

Чтобы рассчитать количество потреблённого кислорода, нужно знать число реакций дегидрирования на данном участке метаболического пути. Для окисления каждой восстановленной формы кофермента необходим 1 атом кислорода (см. выше). Следовательно, в нашем примере потребляется 5 атомов кислорода. Значение коэффициента Р/О будет равно 14/5 = 2,8.

Рисунок 14.5. Расчёт энергетического баланса реакций окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса.

Разобщение дыхания и фосфорилирования.

14.3.1. Перенос электронов в дыхательной цепи не во всех случаях протекает сопряжённо с фосфорилированием АДФ. Состояние, при котором окисление субстратов в дыхательной цепи происходит, но АТФ при этом не образуется, называется свободным (нефосфорилирующим) окислением. Энергия, выделяемая при окислении, рассеивается в виде теплоты.

В физиологических условиях свободное окисление может служить одним из механизмов терморегуляции. В организме человека и некоторых животных имеется особая ткань – бурый жир, содержащий митохондрии, приспособленные для выработки теплоты. Много бурого жира у новорождённых, в последующие периоды жизни его количество уменьшается. В митохондриях бурого жира содержание дыхательных ферментов значительно выше, чем ферментов, осуществляющих фосфорилирование АДФ, поэтому в них преобладают процессы свободного окисления.

Разобщение процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях может иметь место при некоторых патологических состояниях. Основными симптомами таких состояний могут быть быстрая утомляемость, повышенная температура тела, снижение массы тела, несмотря на повышенный аппетит, учащение дыхания и сердцебиения.

14.3.2. Разобщение процессов окисления и фосфорилирования может быть вызвано действием ряда веществ, как природных, так и синтетических. Механизм действия этих веществ заключается в том, что они являются переносчиками протонов через мембрану. Вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, можно разделить на протонофоры и ионофоры.

Протонофоры представляют собой слабые гидрофобные органические кислоты, которые в форме аниона (R-COO-) связывают протоны в межмембранном пространстве, диффундируют через мембрану и диссоциируют в матриксе с образованием протонов. К этой группе относятся, например, свободные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол (см. рисунок 14.6).

Рисунок 14.6. Механизм действия 2,4-динитрофенола.

Ионофоры (валиномицин, нигерицин, грамицидин) способны встраиваться в мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы - Na+ или K+(рисунок 14.7). В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ.

Рисунок 14.7. Валиномицин облегчает проникновение в клетку ионов Н+.