Биологическое окисление. Тканевое дыхание Окислительное фосфорилирование создает условия для АТФ - универсальная форма энергии в живых организмах Цикл трикарбоновых кислот доставляет НАДН и ФАДH2 к цепи транспорта электронов Жирные кислоты Ацетил Co A Пируват Глюкоза Аминокислоты Коферменты НАДН и ФАДH2 образуются в матриксе при: (1) Окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил CoA (2) Аэробном окислении ацетил CoA в цикле трикарбоновых кислот (3) Окислении жирных кислот и аминокислот НАДH и ФАДH2 – энергетически богатые молекулы потому что содержат пару электронов, которые имеют высокий трансферный потенциал Электроны НАДН или ФАДH2 используются для восстановления молекулярного кислорода к воде Электроны от НАДН и ФАДH2 не транспортируются прямо к O2, а транспортируются через электронные переносчики. Восстановленая и окисленная формы НАД Восстановленная и окисленная формы ФАД Транспорт электронов переносчиками приводит к выкачиванию протонов из матрикса в межмембранное пространство В результате перераспределения протонов создается градиент pH и трансмембранный электрический потенциал, который создает протонную силу АТФ синтезируется когда протоны проходят назад в матрикс через ферментный комплекс АТФ синт азу Окисление макромолекул и фосфорилирование АДФ сопряжены прот онным градиент ом на внут ренней мембране мит охондрий Окислит ельное фосфорилирование - эт о процесс в кот ором АТФ образует ся в результ ат е переноса элект ронов из НАДН или ФАДH2 к O2 элект ронными переносчиками. ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ Серия ферментных комплексов (переносчиков электронов), вмонтированных во внутреннюю митохондриальную мембрану, которые окисляют НАДH2 и ФАДH2 и транспортируют электроны к кислороду називается цепью тканевого дыхания. Последовательность переносчиков электронов в цепи тканевого дыхания NADH FMN Fe-S succinate FAD Fe-S Co-Q Fe-S cyt b cyt c1 cyt c cyt a cyt a3 O2 ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ I СОСТОИТ ИЗ 4 КОМПЛЕКСОВ II Компоненты электронтранспортной цепи группируются во внутренней мембране митохондрий в дыхательные комплексы. FMN IV III I NADH III Fe-S II succinate FAD Fe-S Co-Q Fe-S cyt b IV cyt c1 cyt c cyt a cyt a3 O2 Високоэнергетические электроны: редокс потенциалы и изменения свободной энергии. При окислительном фосфорилировании электрон трансферный потенциал НАДН или ФАДH2 превращается в фосфорил трансферный потенциал АТФ. Фосфорил трансферний потенциал – это G°' (энергия освобождается при гидролизе фосфатного соединения). G°' для АТФ = -7.3 ккал/моль Электрон трансферный потенциал E'o, (также называется редокс потенциал, или окислительновосстановительный потенциал). Энергия при транспорте электронов освобождается не постоянно, а в определенном колличестве в каждом комплексе. 26.8 Энергия, выделенная в трех точках в цепи собирается в форме трансмембранного протонного градиента и используется для синтеза АТФ Комплексы I-IV • Коферменты: убихинон (Q) и цитохром служат связывающим звеном между комплексами ЭТЦ • Комплекс IV восстанавливает O2 к воде Комплекс I (НАДH-убихинон оксидоредуктаза) Состоит из: - фермента НАДH дегидрогеназы (ФМН – прост. група) - Fe -S. Транспорт двух электронов от НАДH к коэнзиму Q приводит к переносу 4 ионов Н из матрикса в межмембранное пространство Комплекс II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза) Переносит электроны от сукцината к Co Q. - фермент сукцинатдегидрогеназа - Fe-S. Сукцинат восстанавливает ФАД к ФАДH2. Потом электроны проходят к Fe-S белкам, которые восстанавливают Q к QH2 Комплекс II не создает протонный градиент. Все электроны должны пройти через убихинон (Q). Убихинон Q: - жирорастворимая молекула, - наименьшая и наиболее гидрофобная из всех переносчиков, - дифундирует в рамках липидного бислоя, - принимает электроны от I и II комплексов и передает их на комплекс III. Комплекс III (убихинон-цитохром c оксидоредуктаза) Переносит электроны от убихинона к цитохрому c. Состоит из: цитохрома b, Fe-S кластеров и цит. c1. Цитохромы – электрон-транспортные белки, которые содержат гем, как простетическую группу (Fe2+ Fe3+). Окисление одного QH2 сопровождается транслокацией 4 H+ через внутреннюю мембрану митохондрий. Два H+ из матрикса и два от QH2 Комплекс IV (цитохром аа3 оксидаза) Переносит электроны с цитохрома c к O2. Состоит из: цитохромов a и a3. Катализирует 4-ох электронное восстановление молекулярного кислорода (O2) к воде (H2O): O2 + 4e- + 4H+ 2H2O Реактивные формы кислорода и защита от них Если кислород принимает 4 электроны – образуются две молекулы H2O один электрон - супероксид анион (O2.-) два электрона – пероксид (O22-). O2.-, O22- и, особенно, их реактивные продукти являются вредными для клеточных компонентов – реактивные формы кислорода или ROS. ЗАЩИТА Супероксиддисмут аза O2.- + O2.- + 2H+ = H2O2 + O2 кат алаза H2O2 + H2O2 = O2 + 2 H2O Антиоксидантные витамины: витамин E и C Хемиосмотическая теория • Предложена Питером Митчелом в 1960 (Нобелевская премия, 1978) • Хемиосмотическая теория: т ранспорт элект ронов и синт ез АТФ объеденены прот онным градиент ом через внут реннюю мембрану мит охондрий + + + - - - + + + - 1. Необходима интактная митохондриальная мембрана 2. Транспорт электронов через ЭТЦ генерирует прот онный градиент 3. AТФ синт аза катализирует фосфорилирование АДФ в реакции, которая обеспечивается прохождение Н+ через внутреннюю мембрану в матрикс Искусственная система, демонстрирует хемиосмотичну теорию Синтетические везикулы содержат бактериородопсин и митохондриальную АТФ синтазу. Бактериородопсин – белок, который переносит протоны во время илюминации. АТФ синтаза Две субъединицы Fo и F1 F1 содержит каталитические субъединицы, где АДФ и Фн связываются. F0 пронизывает мембрану и служит как протонный канал. Энергия, которая освобождаетсяться при “падении” протонов используется для синтеза АТФ. Активный транспорт ATФ, AДФ и Pн через внутреннюю митохондриальную мембрану • АТФ должен транспортироваться в цитозоль, а АДФ и Фн - в матрикс • AДФ/ATФ переносчик меняет митохондриальное ATФ на цитозольное АДФ • Фосфат (H2PO4-) транспортируется в матрикс за механизмом симпорта з H+. • Переносчик фосфата снижает pH. РЕГУЛЯЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ Сопряжение тканевого дихания с окислительным фосфорилированием Транспорт электронов тесно связан с фосфорилированием. АТФ не может быть синтезирован путем окислительного фосфорилирования если нет энергии освобожденной при электронном транспорте. Электроны не проходят через электрон-транспортную цепь если АДФ не фосфорилируется к АТФ. Основные регуляторы: НАДН, O2, AДФ Внутримитохондриальное соотношение АТФ/АДФ является контрольным механизмом Высокое соотношение ингибирует так как АТФ аллостерически связывается с комлексом IV Дыхательный контроль Регуляция скорости окислительного фосфорилирования с помощью уровня АДФ называется дыхат ельным конт ролем Разъединение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования Внутрення митохондриальная мембрана содержит белок- разъединения. Белок-разъединения образует канал для перехода протонов из цитозоля в матрикс. Разъединители • Разъединителями являются жирорастворимые слабые кислоты • Разъединители снижают протонный градиент транспортируя протоны через мембрану 2,4-Динитрофенол – эффективный разъединитель Выход АТФ 12 протонов выкачиваются из матрикса во время транспорта двух электронов от НАДН к O2 (комплекс I, III и IV). 3 4 4 2 Перенос 3H+ необходим для синтеза одной молекулы АТФ АТФ-синтазой 1 H+ необходим для транспорта Фн. 4 H+ используется для каждой синтезированной АTФ Для НАДН: 3 АТФ Для ФАДН2: 2 ATФ