Дыхательная цепь, ее компоненты и организация

Краткая история открытия и изучения окислительного фосфорилирования.

Процесс окислительного фосфорилирования был открыт отечественными биохимиками Энгельгардом, Белицером и Цыбаковой. В период с 1937 по 1941 год эти ученые показали, что энергия, выделяющаяся в огромном количестве при полном окислении метаболитов в цитратном цикле, используется клеткой для синтеза АТФ. Исследования были затем продолжены в нескольких лабораториях как отечественных так и зарубежных. В результате к 1950 году выяснилось, что:

1. способность осуществлять окислительное фосфорилирование присуща исключительно митохондриям;

2. этот процесс является общим для всех аэробных организмов и представляет собой универсальный биохимический путь;

3. окисление (дыхание) и фосфорилирование могут быть разобщены с помощью определенных соединений, например: 2,4-динитрофенола (ввели в практику Лумис и Липман);

4. точки фосфорилирования связаны с цепью переноса электронов.

К настоящему времени общепринятой стала хемиоосмотическая теория окислительного фосфорилирования, сформулированная английским биохимиком Митчеллом.

Дыхательная цепь локализована на внутренней мембране митохондрии и включает в себя три трансмембранных белковых комплекса (комплексы I, III и IV), и два типа подвижных молекул-переносчиков электронов – убихинон (кофермент Q) и цитохром С. Между комплексом I и III расположен комплекс II – сукцинатдегидрогеназа, который катализирует окисление сукцината до фумарата в цикле Кребса. Рядом с комплексом IV расположен комплекс V, представляющий собой фермент АТФ-синтазу.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов, связанных с белками. Строение этих коферментов было нами рассмотрено на одной из предыдущих лекций и дано в пособии «Витамины и коферменты». Кроме того в состав комплексов входят железо-серные центры, а также ионы меди. Состав комлексов I –V и их взаимное расположение представлены на рис. А и Б.

Комплексы I, III и IV встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану и представляют собой протонные каналы. Перенос протонов этими комплексами протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация протонов в межмембранном пространстве. Комплекс II также встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану, но переноса протонов через неё он не осуществляет. Этот комплекс осуществляет дегидрирование сукцината до фумарата в цитратном цикле с помощью простетической группы – ФАД и подвижного кофермента – убихинона. Комплекс V не относится к дыхательной цепи, его роль заключается в синтезе АТФ. Детальная структура комплексов еще не установлена.

Хотя, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее они не контактируют друг с другом, а электроны переносятся между ними убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря липофильной боковой цепи свободно перемещается в мембране между комплексами I и II, II и III (2 молекулы убихинона). Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны и перемешается между комплексом III и комплексом IV.

Окисление НАДН комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны в матриксе, где осуществляется цитратный цикл и β-окисление жирных кислот – самые важные источники НАДН. В матриксе протекают также восстановление кислорода и образование АТФ.

Комплексы I, II и IV, составляющие дыхательную цепь являются протонными насосами.

Электроны поступают в дыхательную цепь следующими путями:

1 Путь. При окислении 1 молекулы НАДН комплекс I переносит 2 электрона через кофермент ФМН и Fe/S центры на подвижный переносчик электронов – убихинон, локализованный на мембране между комлексами I и II. При этом убихинон восстанавливается до убихинола. При этом одновременно через протонный канал комплекса I переносится 4 протона из матрикса в межмембранное пространство против градиента.

Далее эти 2 электрона от убихинола передаются на кофермент ФАД комплекса II, а с ФАД через Fe/S-центры на вторую молекулу убихинон, локализованный между комплексами II и III.

Затем электроны с второй молекулы убихинола поступают на активный центр комплекса III, который поставляет далее электроны через 2 гема b и Fe/S центр и гем с₁ на небольшой гемсодержащий белок – цитохром С. При прохождении 2 электронов через комплекс III через его протонный канал в межмембранное пространство из матрикса также поступает 4 протона.

Цитохром С – водорастворимый белок, находящийся в растворе в межмембранном пространстве, восприняв электроны далее переносит их к комплексу IV. Комплекс IV - цитохром С: оксидаза (дыхательный фермент Варбурга) содержит два медьсодержащих центра и геммы (гем a, и гем a₃), через которые электроны, наконец, поступают к кислороду.

При восстановлении кислорода образуется анион О^-2, который связывает 2 протона и переходит в воду. При прохождении 2 электронов через комплекс IV, через его протонный канал поступает в межмембранное пространство 2 протона.

Таким образом при окислении 1 молекулы НАДН через дыхательную цепь передаются 2 электрона на кислород, т.е. образуется 1 молекула воды и в межмембранное пространство против градиента нагнетается 10 протонов (4Н⁺ + 4Н⁺ + 2Н⁺ = 10Н⁺).

2 Путь. Окислению подвергается сукцинат, образующийся в цикле Кребса. Его окисление начинается с передачи электронов на убихинон и далее по всей рассмотренной выше цепочке переносчиков на кислород.

Таким образом при окислении 1 молекулы сукцината через дыхательную цепь передаются 2 электрона на кислород, т.е. образуется 1 молекула воды и в межмембранное пространство против градиента нагнетается 6 протонов (4Н⁺ + 2Н⁺ = 10Н⁺), поскольку комплекс I в окислении сукцината не участвует.

Последовательность протекающих превращений в дыхательной цепи можно изобразить способом, предложенным Болдуином для написания уравнений последовательных циклических реакций:

На этой схеме не показаны Fe/S центры и Cu⁺²/Cu⁺¹ центры.

При переносе электронов возникает ЭДС равная разности потенциалов окислителя и восстановителя: ЭДС =ΔЕ^o = +0,82 – (-0,32) = 1,14 В.

Разность потенциалов позволяет найти изменение стандартной свободной энергии (ΔG^o)

-ΔG^o = - n·F·ΔЕ^o

При переносе пары электронов (n = 2) величина изменения стандартной свободной энергии равна:

-ΔG^o = -2·96,5·1,14 = 220,0 кДж/моль

Перенос 2 электронов от НАДН к кислороду, т.е. образование 1 молекулы воды сопровождается переносом в межмембранное пространство из матрикса 10 Н⁺ вследствие чего возникает разность в рН. рН в межмембранном пространстве меньше чем в матриксе. Межмембранное пространство имеет более кислую реакцию по сравнению с матриксом.

Поток электронов сопряжен с переносом протонов из матрикса митохондрии в мжмембранное пространство комплексами I, III и IV, что создает протонный градиент.

Дата добавления: 2014-01-20