Цитохромы

Организация дыхательной цепи. Переносчики в дыхательной цепи (ЦПЭ).

Основные переносчики электронов встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и организованы в 4 комплекса. Компоненты комплексов расположены в строго определенной последовательности, в порядке возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов). Величина редокс-потенциала связана с изменением свободной энергии. Её выражают в вольтах; чем она меньше (отрицательнее), тем меньше сродство вещества к электронам. Чем больше сродство, тем больше восстановительный потенциал.

I комплекс – НАДН-дегидрогеназа – состоит из нескольких полипептидных цепей.

В I комплекс входят две простетические группы: ФМН и FeS (железо-серные белки). Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в несколько групп, так называемых железо-серных центров. Известны 3 типа FeS-центров (FeS, Fe₂S₂, Fe₄S₄), в котором атом железа связан с атомом серы остатками цистеина или неорганической серы.

На I комплекс протоны и электроны от субстратов (изоцитрат, малат и др.) транспортирует главный первичный акцептор водорода – НАД-зависимая дегидрогеназа (восстановленная форма НАДН+Н⁺). НАДН+Н⁺ - два электрона и один протон переносятся на ФМН простетическую группу I комплекса с образованием ФМНН₂. Второй протон поглощается из матрикса. С ФМНН₂ электроны и протоны транспортируются на FeS. От железо-серных центров электроны и протоны переносятся на кофермент Q (убихинон).

II комплекс – сукцинат-фумарат-дегидрогеназа. Состоит из 2 простетических групп: ФАД и FeS. На ФАД электроны и протоны отщепляются от субстрата – сукцинат, при этом ФАД восстанавливается в ФАДН2. Затем протоны и электроны передаются на FeS, с FeS они транспортируется на убихинон.

Убихинон - (вездесущий хинон) или кофермент Q. Это небелковый переносчик. Он является жирорастворимым соединением. Структура КоQ сходна с витаминами К, Е.

Молекулы убихинона различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q₁₀.

Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя ē и протоны от НАДН-дегидрогеназы (I комплекс), сукцинат-фумаратдегидрогеназы (II комплекс) и ФАД- зависимых дегидрогеназ, он обратимо восстанавливается в гидрохинон (QН₂).

Содержание убихинона значительно превосходит количество других компонентов ЦПЭ. Например, на 1 молекулу НАД⁺ приходится 50молекул КоQ.

От убихинона происходит транспорт только электронов на цитохромы.

Обнаружены в 1886г. Мак-Мунном, исследованы в 1925г. Девидом Кейлином.

Цитохромы – это сложные белки-гемопротеины, которые в качестве простетической группы содержат гем.

Известно около 30 различных цитохромов.

Их многообразие обусловлено:

- различием боковых цепей в структуре гема;

- различием в структуре полипептидных цепей;

- различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в различной части спектра все цитохромы делятся на группы а, в, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (в, в1, в2 и т.д.)

Цитохромы имеют ряд особенностей:

1. Цитохромы в ЦПЭ располагаются в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала);

2. Железо в цитохромах способно изменять свою степень окисления, поэтому цитохромы в ЦПЭ транспортируют только электроны.

В транспорте двух электронов принимают участие две молекулы каждого вида цитохромов, так как одна молекула цитохрома может переносить только один электрон.

В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов- а, а₃, в, с, с₁. За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов.

III комплекс – QН₂-дегидрогеназа состоит из 2 типов цитохромов (в₁ и в₂), цитохрома с₁ и FeS. Внутри комплекса электроны передаются от цитохромов в на FeS-центры, затем на цитохром с₁. С цитохрома с₁ электроны транспортируются на цитохром С.Это периферический водорастворимый мембранный белок с молекулярной массой 12500Д, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом. От цитохрома С электроны переносятся на IV комплекс.

IV комплекс – цитохромоксидаза входят два цитохрома типа аа₃, каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а₃ имеют в своей структуре гем А, отличающийся от гема цитохромов с и с₁. Он содержит формильную группу вместо одной из метильных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп.

Другая особенность комплекса аа₃ – наличие в нем ионов меди, связанных с белковой частью в так называемых CuA- центрах. Перенос электронов комплексом а-а₃ включает реакции:

Cu⁺ Cu²⁺ + ē

Fe²⁺ Fe³⁺ + ē

Комплекс цитохромов а-а₃ транспортирует электроны непосредственно на молекулярный кислород, активируя его:

аа₃ ^2ē ½ О₂ О⁼

У активированного кислорода появляются две свободные валентности, к которым присоединяются 2 протона Н⁺ от первичных акцепторов водорода: НАД-зависимых дегидрогеназ, ФАД-зависимых дегидрогеназ; сукцинат-фумарат-дегидрогеназы (II комплекс) через убихинон (QН₂).

внутрен-няя мембрана

2.6. Окислительное фосфорилирование АДФ. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, их транспорт по ЦПЭ к кислороду сопровождается относительно большим снижением свободной энергии.

В ЦПЭ можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Это количество свободной энергии необходимо для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование).

Процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Механизм сопряжения окончательно не выяснен, наиболее обоснованной является хемиосмотическая теория Митчелла, предложенная в 1961г.

Перенос электронов по ЦПЭ от НАДН к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана не проницаема для протонов.

Таким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд – на внутренней стороне, положительный заряд – на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН⁺ - источник энергии для синтеза АТФ.

Энергия электрохимического потенциала (ΔμН⁺) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы (V комплекс).

Наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН⁺ происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III, IV. Эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, где и происходит синтез АТФ.

V комплекс – АТФ-синтаза.

Это интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из двух белковых комплексов.

Гидрофобный комплекс F_◦ погружен в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране.

Комплекс F₀ состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Комплекс F₁ выступает в матрикс. Он состоит из 9 субъединиц. Между α- и β- субъединицами располагаются три активных центра, в которых происходит синтез АТФ.

Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμН⁺ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμН⁺ происходят конформационные изменения в парах α- и β- субъединиц белка F₁ , в результате чего из АДФ и Н₃РО₄ образуется АТФ. Электрохимический потенциал, генерируемый в 3 пунктах сопряжения в ЦПЭ, используется для синтеза одной молекулы в каждом пункте.

Отношение количества Н3РО4, использованной на фосфорилирование АДФ, к атому поглощенного кислорода, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О.

Для субстратов, которые отдают протоны и электроны на НАД-зависимые дегидрогеназы, коэффициент фосфорилирования равен 3/1=3АТФ, так как протоны и электроны транспортируются через 3 пункта сопряжения (I, III, IV комплексы).

Например, изоцитрат, малат, ПВК и др.

Для субстратов, которые отдают протоны и электроны на ФАД-зависимые дегидрогеназы и сукцинат-фумарат-дегидрогеназу (II комплекс), коэффициент фосфорилирования равен 2/1=2АТФ, так как электроны поступают на III комплекс, минуя первый пункт сопряжения (I комплекс). Например, сукцинат, глицерол-3-фосфат и др.

Дата добавления: 2015-04-24