Systém strukturně a funkčně příbuzných transmembránových proteinů a nosičů elektronů. Umožňuje ukládat energii uvolněnou při oxidaci NAD*H a FADH2 molekulárním kyslíkem ve formě transmembránového protonového potenciálu v důsledku sekvenčního přenosu elektronu po řetězci, spojeného s čerpáním protonů přes membránu. Transportní řetězec u eukaryot je lokalizován na vnitřní membráně mitochondrií. V dýchacím řetězci jsou 4 multienzymové komplexy. Existuje také další komplex, který se nepodílí na přenosu elektronů, ale na syntéze ATP.

1. - CoA oxidoreduktáza.

1. Přijímá elektrony z NADH a přenáší je na koenzym Q (ubichinon). 2. Přenáší 4 H+ ionty na vnější povrch vnitřní mitochondriální membrány.

2.-FAD-dependentní dehydrogenázy.

1. Získání FAD 3-cytochrom c-oxidoreduktázy.

2. Přijímá elektrony z koenzymu Q a přenáší je do cytochromu c.

3. Přenáší 2 H+ ionty na vnější povrch vnitřní mitochondriální membrány.

4.-cytochrom c-kyslíková oxidoreduktáza.

1. Přijímá elektrony z cytochromu c a předává je kyslíku za vzniku vody.

2. Přenáší 4 H+ ionty na vnější povrch vnitřní mitochondriální membrány. Všechny atomy vodíku odštěpené ze substrátů dehydrogenázami za aerobních podmínek se dostávají do vnitřní mitochondriální membrány jako součást NADH nebo FADH2.

Elektrony při pohybu ztrácejí energii -> energii vynakládají komplexy na čerpání protonů H. Přenos iontů H probíhá v přesně definovaných oblastech -> oblasti konjugace Výsledek: Dochází k produkci ATP: ionty H + ztrácejí energii průchodem ATP syntázou Část tato energie se používá pro syntézu ATP. Zbytek se rozptýlí jako teplo.

Dýchací řetězec mitochondrií se skládá z 5 multienzymových komplexů, jejichž podjednotky jsou kódovány jak jadernými, tak mitochondriálními geny. Přenos elektronů zahrnuje koenzym Q10 a cytochrom c. Elektrony pocházejí z molekul NAD *H a FAD "H a jsou transportovány podél dýchacího řetězce. Uvolněná energie je využita k transportu protonů k vnější mitochondriální membráně a výsledný elektrochemický gradient se používá k syntéze ATP pomocí komplexu V mitochondriálního respiračního systému řetěz

44. Sekvence a struktura nosičů elektronů v dýchacím řetězci

1 komplex. NADH-CoQ oxidoreduktáza

Tento komplex má také pracovní název NADH-dehydrogenáza, obsahuje FMN (flavinmononukleotid), 22 proteinových molekul včetně 5 železo-sirných proteinů o celkové molekulové hmotnosti až 900 kDa.

Přijímá elektrony z NADH a přenáší je na koenzym Q (ubichinon).

Přenáší 4 H+ ionty na vnější povrch vnitřní mitochondriální membrány.

2 komplex. FAD-dependentní dehydrogenázy

Zahrnuje enzymy závislé na FAD umístěné na vnitřní membráně – například acyl-SCoA dehydrogenázu (oxidace mastné kyseliny), sukcinátdehydrogenáza (cyklus trikarboxylových kyselin), mitochondriální glycerol-3-fosfátdehydrogenáza (shuttle mechanismus pro přenos NADH do mitochondrií).

Obnova FAD v redoxních reakcích.

Zajištění přenosu elektronů z FADH2 do železo-sirných proteinů vnitřní membrány mitochondrií. Tyto elektrony pak přecházejí na koenzym Q.

46. ​​Biochemické mechanismy rozpojení oxidačních a fosforylačních faktorů, které je způsobují Rozpojení dýchání a fosforylace

Některé chemikálie (protonofory) mohou transportovat protony nebo jiné ionty (ionofory) z mezimembránového prostoru přes membránu do matrice a obcházet protonové kanály ATP syntázy. V důsledku toho zmizí elektrochemický potenciál a zastaví se syntéza ATP. Tento jev se nazývá rozpojení dýchání a fosforylace. V důsledku odpojení se množství ATP snižuje a ADP se zvyšuje. V tomto případě se zvyšuje rychlost oxidace NADH a FADH2 a také se zvyšuje množství absorbovaného kyslíku, ale energie se uvolňuje ve formě tepla a poměr P/O prudce klesá. Odpojovače jsou zpravidla lipofilní látky, které snadno procházejí lipidovou vrstvou membrány. Jednou z těchto látek je 2,4-dinitrofenol (obr. 6-17), který se snadno mění z ionizované formy na neionizovanou navázáním protonu v mezimembránovém prostoru a jeho přenosem do matrice.

Příkladem odpojovačů mohou být také některé léky, jako je dikumarol – antikoagulans (viz bod 14) nebo metabolity, které se tvoří v těle, bilirubin – produkt katabolismu (viz bod 13), tyroxin – hormon štítné žlázy (viz bod 11 ). Všechny tyto látky vykazují rozpojovací účinek pouze ve vysokých koncentracích.

Vypnutí fosforylace po vyčerpání ADP nebo anorganického fosfátu je doprovázeno inhibicí dýchání (účinek kontroly dýchání). Velké číslo poškození mitochondriální membrány narušuje vazbu mezi oxidací a fosforylací, což umožňuje přenos elektronů, i když nedochází k syntéze ATP (uncoupling effect)

1. Celkový výstup:

Pro syntézu 1 molekuly ATP jsou potřeba 3 protony.

2. Inhibitory oxidativní fosforylace:

Inhibitory blokují V komplex:

Oligomycin - blokuje protonové kanály ATP syntázy.

Atraktylosid, cyklofylin - blokové translokázy.

3. Odpojovače oxidativní fosforylace:

Uncouplers jsou lipofilní látky, které jsou schopny přijímat protony a transportovat je přes vnitřní membránu mitochondrií, přičemž obcházejí V komplex (jeho protonový kanál). Odpojovače:

Přírodní - produkty peroxidace lipidů, mastné kyseliny s dlouhým řetězcem; velké dávky hormonů štítné žlázy.

Umělé - dinitrofenol, éter, deriváty vitaminu K, anestetika.

Komplexy dýchacího řetězce

• Komplex III (komplex cytochromu bc1) přenáší elektrony z ubichinonu na dva ve vodě rozpustné cytochromy c umístěné na vnitřní membráně mitochondrií. Ubichinon přenáší 2 elektrony a cytochromy přenášejí jeden elektron za cyklus. Zároveň tam také procházejí 2 protony ubichinonu a jsou čerpány komplexem.

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

FeS - železo-sirná centra.

UKÁZAT VÍCE:

. Respirační elektronový transportní řetězec

Respirační elektronový transportní řetězec (ETC, ETC) je systém strukturně a funkčně příbuzných transmembránových proteinů a elektronových nosičů. ETC umožňuje ukládat energii uvolněnou při oxidaci NADH a FADH2 molekulárním kyslíkem (v případě aerobního dýchání) nebo jinými látkami (v případě anaerobního dýchání) ve formě transmembránového protonového potenciálu díky sekvenčnímu přenosu elektronu podél řetězce, spojeného s čerpáním protonů přes membránu. složky dýchacího řetězce. Dýchací řetězec zahrnuje tři proteinové komplexy (komplexy I, III a IV) zabudované do vnitřní mitochondriální membrány a dvě mobilní nosné molekuly - ubichinon (koenzym Q) a cytochrom c. Za komplex II dýchacího řetězce lze považovat i sukcinátdehydrogenázu, která patří do samotného citrátového cyklu. ATP syntáza je někdy označována jako komplex V, i když se nepodílí na přenosu elektronů. Komplexy dýchacího řetězce jsou vytvořeny z mnoha polypeptidů a obsahují řadu různých redoxních koenzymů spojených s proteiny. Patří mezi ně flavin [FMN (FMN) nebo FAD (FAD), v komplexech I a II], železo-sírová centra (v I, II a III) a hemové skupiny (v II, III a IV). Podrobná struktura většiny komplexů dosud nebyla stanovena. Elektrony vstupují do dýchacího řetězce různými způsoby. Během oxidace NADH + H+ přenáší komplex I elektrony přes FMN a Fe/S centra na ubichinon. Elektrony generované během oxidace sukcinátu, acyl-CoA a dalších substrátů jsou přeneseny na ubichinon komplexem II nebo jinou mitochondriální dehydrogenázou prostřednictvím enzymu vázaného FADH2 nebo flavoproteinu (viz obr.

Elektronový transportní řetězec (tspe).

S. 166), zatímco oxidovaná forma koenzymu Q je redukována na aromatický ubihydrochinon. Ten přenáší elektrony do komplexu III, který je dodává prostřednictvím dvou hemů b, jednoho Fe/S centra a hemu c1 do malého proteinu cytochromu c obsahujícího hem. Ten přenáší elektrony na komplex IV, cytochrom c oxidázu. Cytochrom c oxidáza obsahuje dvě centra obsahující měď (CuA a CuB) a hemy a a a3 pro redoxní reakce, kterými elektrony nakonec vstupují do kyslíku. Při redukci O2 vzniká silný bazický anion O2-, který váže dva protony a přechází do vody. Tok elektronů je spojen s protonovým gradientem tvořeným komplexy I, III a IV. Organizace dýchacího řetězce. Přenos protonů komplexy I, III a IV probíhá vektorově z matrice do mezimembránového prostoru. Při přenosu elektronů v dýchacím řetězci se zvyšuje koncentrace iontů H +, tj. klesá hodnota pH. V neporušených mitochondriích v podstatě pouze ATP syntáza umožňuje zpětný pohyb protonů do matrice. To je základem pro regulačně důležitou konjugaci přenosu elektronů s tvorbou ATP. Ubichinon se díky nepolárnímu postrannímu řetězci volně pohybuje v membráně. Ve vodě rozpustný cytochrom c se nachází na vnější straně vnitřní membrány. K oxidaci NADH (NADH) komplexem I dochází jak na vnitřní straně membrány, tak v matrici, kde dochází i k citrátovému cyklu a β-oxidaci - nejv. důležité zdroje NADH. Kromě toho v matrici probíhá redukce O2 a tvorba ATP (ATP). Vzniklý ATP je přenášen mechanismem antiport (proti ADP) do mezimembránového prostoru (viz str. 214), odkud proniká do cytoplazmy poriny

Komplexy dýchacího řetězce

• Komplex I (NADH dehydrogenáza) oxiduje NADH, odebírá z něj dva elektrony a přenáší je na ubichinon rozpustný v tucích, který difunduje uvnitř membrány na komplex III. Komplex I zároveň pumpuje 2 protony a 2 elektrony z matrice do mezimembránového prostoru mitochondrií.
• Komplex II (sukcinátdehydrogenáza) nečerpá protony, ale zajišťuje vstup do řetězce dalších elektronů v důsledku oxidace sukcinátu.
• Komplex III (komplex cytochromu bc1) přenáší elektrony z ubichinonu na dva ve vodě rozpustné cytochromy c umístěné na vnitřní membráně mitochondrií. Ubichinon přenáší 2 elektrony a cytochromy přenášejí jeden elektron za cyklus.

Mitochondriální elektronový transportní řetězec

Zároveň tam také procházejí 2 protony ubichinonu a jsou čerpány komplexem.

• Komplex IV (cytochrom c oxidáza) katalyzuje přenos 4 elektronů ze 4 molekul cytochromu na O2 a pumpuje 4 protony do mezimembránového prostoru. Komplex se skládá z cytochromů a a a3, které kromě hemu obsahují ionty mědi.

Kyslík vstupující do mitochondrií z krve se váže na atom železa v hemu cytochromu a3 ve formě molekuly O2. Každý z atomů kyslíku připojí dva elektrony a dva protony a změní se na molekulu vody.

Substrát vzniklý v Krebsově cyklu podléhá dehydrogenaci (odštěpení vodíku), v důsledku čehož se uvolňuje energie, která vede k tvorbě ATP, a elektrony a protony vzniklé v procesu se spojují s kyslíkem a tvoří vodu. K redukci molekuly O2 dochází v důsledku přenosu 4 elektronů. S každým přidáním 2 elektronů ke kyslíku, které k němu přicházejí přes řetězec nosičů, jsou absorbovány 2 protony z matrice, což má za následek vytvoření molekuly H2O.

Elektrony jsou přenášeny po řetězci nosičů, které jsou umístěny v samotné membráně. Nosiče, přijímající elektrony, jsou oxidovány a předáním dalšímu nosiči jsou obnoveny. Na konci CPE jsou elektrony převedeny na kyslík.

Protony jsou vytlačovány z mitochondriální membrány.

K posunu protonů dochází v důsledku energie pohybu elektronů uvnitř membrány.

Protony se nemohou samovolně vrátit zpět do membrány, takže se na její vnější straně hromadí kladný náboj.

Protony na konci CPE opět procházejí dovnitř přes speciální protein – ATP syntetázu (faktor 5) a podílejí se na tvorbě vody. Když proton prochází ATP syntetázou, uvolňuje se energie, která jde k syntéze ATP.

V důsledku OVR reakcí nosičů vzniká ATP z ADP a anorganického fosfátu.

Důležité: Bez přítomnosti ADP nedochází k oxidaci!

Substráty NAD- a NADP-dependentních dehydrogenáz se nacházejí v mitochondriální matrici a v cytosolu.

Hlavní elektronové nosiče jsou zabudovány do vnitřní membrány mitochondrií a jsou organizovány do 4 komplexů uspořádaných v určité sekvenci (vektoru). V této sekvenci se jejich standardní redoxní potenciály stávají pozitivnějšími, když se přibližují ke kyslíku.

1. Substrát je nejprve oxidován dehydrogenázou - NAD +, v důsledku toho koenzym NAD + přijímá proton a přechází na NADH.

Většina dehydrogenáz dodávajících elektrony do CPE obsahuje NAD+. Katalyzují reakce jako:

R-CHOH-R1 + NAD+ ↔ R-CO-R1 + NADH + H+.

NADPH není přímým donorem elektronů v CPE, ale používá se téměř

výhradně v redukčních biosyntézách. Inkorporace elektronů z NADPH do CPE je však možná díky působení pyridin nukleotid transhydrogenázy, která reakci katalyzuje:

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

Flavindehydrogenázy obsahují FAD nebo FMN jako koenzymy.

FAD slouží jako akceptor elektronů z mnoha substrátů v reakcích, jako jsou:

R-CH2-CH2-R1 + E (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + E (FADH2),

kde E je proteinová část enzymu.

Většina dehydrogenáz závislých na FAD jsou rozpustné proteiny lokalizované v mitochondriální matrici. Výjimkou je sukcinátdehydrogenáza, která se nachází ve vnitřní membráně mitochondrií.

Nebo je substrát oxidován dehydrogenázou-FAD+, což způsobí, že koenzym FAD přijme proton a stane se FADH2.

Pokud je sukcinát (kyselina jantarová) oxidován, probíhá oxidace sukcinátdehydrogenázou okamžitě prostřednictvím FAD+.

FAD daruje elektrony koenzymu Q (ubichinonu) prostřednictvím FES.

Důležité: ubichinon není protein. Všechny ostatní nosiče jsou proteiny!

FeS - železo-sirná centra.

Předchozí12345678910111213Další

UKÁZAT VÍCE:

Obecně je práce dýchacího řetězce následující:

Respirační elektronový transportní řetězec

NADH a FADH2 vzniklé v katabolických reakcích přenášejí atomy vodíku (tj. protony a elektrony vodíku) do enzymů dýchacího řetězce.

2. Elektrony se pohybují enzymy dýchacího řetězce a ztrácejí energii.

3. Tato energie se využívá k čerpání protonů H+ z matrice do mezimembránového prostoru.

4. Na konci dýchacího řetězce narazí elektrony na kyslík a redukují ho na vodu.

5. Protony H+ mají tendenci zpět do matrice a procházejí ATP syntázou.

6. Zároveň ztrácejí energii, která se využívá pro syntézu ATP.

Obecný princip oxidativní fosforylace

Rekonstituované formy NAD a FAD jsou oxidované enzymy dýchacího řetězce, díky tomu se k ADP přidává fosfát, tzn. fosforylace. Proto se celý proces nazývá oxidační fosforylace.

dýchacího řetězce

Celkový elektronový transportní řetězec zahrnuje asi 40 různých proteinů, které jsou organizovány do 4 velkých membránově vázaných multienzymových komplexů. Existuje také další komplex, který se nepodílí na přenosu elektronů, ale na syntéze ATP.

Blokové schéma dýchacího řetězce

Nosiče elektronů

1. Cytochromy c1, c, a, a3 (protetická skupina - hem) se nacházejí v různých částech dýchacího řetězce, cytochrom c je mobilní ve vodě rozpustný protein, který se pohybuje po vnější straně membrány mezi 3. a 4. komplexem . Cytochromy aa3 obsahují hem A. Místo methylových (-CH3) a vinylových (-CH=CH2) skupin obsahuje formylovou (-CH) skupinu a uhlovodíkový řetězec. Druhým znakem je přítomnost iontů mědi ve speciálních proteinových centrech.

Cu+<->Сu2+ + e a Fe2+<->Fe3+ + e

2. Železo-sírové proteiny (FeS) - nehemové proteiny, které fungují ve spojení s flavinovými enzymy (1, 2, 3 komplexy)

3. FMN (komplex 1): FMN + NADH + H+ ———FMNH2 + NAD+

(NAD+ + 2e + 2H+ ————- NADH + H+)

KoQ (ubichinon) - neproteinový nosič, komplex 3.

Dlouhý hydrofobní „ocásek“ isoprenu zajišťuje mobilitu ubichinonu v lipidové dvojvrstvě.

KoQ a cytochrom c jsou mobilní, všechny ostatní jsou integrální proteiny.

Struktura enzymatických komplexů dýchacího řetězce

Komplex. NADH-CoQ reduktáza

Tento komplex má také pracovní název NADH dehydrogenáza, obsahuje 1FMN, 6 železo-sirných proteinů.

1. NADH + H+ + FMN ———2e + 2H+——— NAD+ + FMNH2

2. FMNH2 ————2e——— Fex Sx (Fe2+<->Fe3+ + e)

3. Fex Sx ————2e———KoQ

Funkce

1. Přijímá elektrony z NADH a přenáší je do koenzym Q(ubichinon).

2. Přenáší 4H+ na vnější povrch vnitřní mitochondriální membrány.

14.1.1. V reakci pyruvátdehydrogenázy a v Krebsově cyklu dochází k dehydrogenaci (oxidaci) substrátů (pyruvát, isocitrát, α-ketoglutarát, sukcinát, malát). V důsledku těchto reakcí se tvoří NADH a FADH2. Tyto redukované formy koenzymů jsou oxidovány v mitochondriálním dýchacím řetězci. Oxidace NADH a FADH2, probíhající ve spojení se syntézou ATP z ADP a H3PO4 se nazývá oxidační fosforylace.

Struktura mitochondrií je znázorněna na obrázku 14.1. Mitochondrie jsou intracelulární organely se dvěma membránami: vnější (1) a vnitřní (2). Vnitřní mitochondriální membrána tvoří četné záhyby - cristae (3). Prostor ohraničený vnitřní mitochondriální membránou se nazývá matrix (4), prostor ohraničený vnější a vnitřní membránou se nazývá mezimembránový prostor (5).

Obrázek 14.1. Schéma struktury mitochondrií.

14.1.2. dýchacího řetězce- sekvenční řetězec enzymů, který přenáší vodíkové ionty a elektrony z oxidovaných substrátů na molekulární kyslík - konečný akceptor vodíku. Při těchto reakcích dochází k uvolňování energie postupně, po malých dávkách a může se akumulovat ve formě ATP. Lokalizací enzymů dýchacího řetězce je vnitřní mitochondriální membrána.

Dýchací řetězec zahrnuje čtyři multienzymové komplexy (obrázek 14.2).

Obrázek 14.2. Enzymové komplexy dýchacího řetězce (jsou označena místa konjugace oxidace a fosforylace):

I. NADH-KoQ reduktáza(obsahuje intermediární akceptory vodíku: flavinmononukleotid a železo-sírové proteiny). II. Sukcinát-KoQ-reduktáza(obsahuje intermediární akceptory vodíku: FAD a železo-sírové proteiny). III. KoQH 2-cytochrom c-reduktáza(obsahuje akceptory elektronů: cytochromy b a c1, železo-sírové proteiny). IV. Cytochrom c oxidáza(obsahuje akceptory elektronů: cytochromy a a a3, ionty mědi Cu2+).

14.1.3. Ubichinon (koenzym Q) a cytochrom c působí jako intermediární nosiče elektronů.

Ubichinon (KoQ)- v tucích rozpustná látka podobná vitaminu, která může snadno difundovat v hydrofobní fázi vnitřní membrány mitochondrií. Biologickou úlohou koenzymu Q je přenos elektronů v dýchacím řetězci z flavoproteinů (komplexy I a II) do cytochromů (komplex III).

Cytochrom c- komplexní protein, chromoprotein, jehož protetická skupina - hem - obsahuje železo s proměnlivou mocností (Fe3+ v oxidované formě a Fe2+ v redukované formě). Cytochrom c je ve vodě rozpustná sloučenina nacházející se na periferii vnitřní mitochondriální membrány v hydrofilní fázi. Biologická role cytochromu c spočívá v přenosu elektronů v dýchacím řetězci z komplexu III do komplexu IV.

14.1.4. Mezilehlé elektronové nosiče v dýchacím řetězci jsou uspořádány podle jejich redoxních potenciálů. V této sekvenci se snižuje schopnost darovat elektrony (oxidovat) a zvyšuje se schopnost elektrony získat (obnovit se). NADH má největší schopnost darovat elektrony a molekulární kyslík má největší schopnost elektrony připojovat.

Obrázek 14.3 ukazuje strukturu reaktivního místa některých mezinosičů protonů a elektronů v oxidované a redukované formě a jejich vzájemnou konverzi.

Obrázek 14.3. Interkonverze oxidovaných a redukovaných forem intermediárních nosičů elektronů a protonů.

14.1.5. Popisuje mechanismus syntézy ATP chemiosmotická teorie(autor - P. Mitchell). Podle této teorie mohou složky dýchacího řetězce umístěné ve vnitřní mitochondriální membráně při přenosu elektronů „zachycovat“ protony z mitochondriální matrice a přenášet je do mezimembránového prostoru. V tomto případě vnější povrch vnitřní membrány získává kladný náboj, zatímco vnitřní záporný, tzn. vzniká gradient koncentrace protonu s kyselejším pH venku. Tak vzniká transmembránový potenciál (ΔµН+ ). Existují tři části dýchacího řetězce, kde se tvoří. Tyto úseky odpovídají I, III a IV komplexům elektronového transportního řetězce (obrázek 14.4).

Obrázek 14.4. Umístění enzymů dýchacího řetězce a ATP syntetázy ve vnitřní membráně mitochondrií.

Protony uvolněné do mezimembránového prostoru díky energii přenosu elektronů opět přecházejí do mitochondriální matrix. Tento proces provádí enzym H+-dependentní ATP syntetáza (H+-ATPáza). Enzym se skládá ze dvou částí (viz obrázek 10.4): ve vodě rozpustné katalytické části (F1) a protonové kanálky ponořené v membráně (F0). Přechod H+ iontů z oblasti s vyšší do oblasti s nižší koncentrací je doprovázen uvolněním volné energie, díky které dochází k syntéze ATP.

14.1.6. Energie nahromaděná ve formě ATP se v těle využívá k zajištění různých biochemických a fyziologických procesů. Pamatujte na hlavní příklady využití energie ATP:

1) syntéza komplexu chemické substance od jednodušších (anabolické reakce); 2) svalová kontrakce (mechanická práce); 3) tvorba transmembránových biopotenciálů; 4) aktivní transport látek přes biologické membrány.

Biologická oxidace je souborem substrátových oxidačních reakcí v živých buňkách, jejichž hlavní funkcí je energetické zásobení metabolismu.

Hlavní funkce oxidačních procesů:

1) zásobník energie v recyklovatelné formě,

2) rozptyl energie ve formě tepla,

3) tvorba užitečných sloučenin,

4) štěpení škodlivých látek.

Rozdíly mezi biologickou oxidací a spalováním

Biologická oxidace není jednokroková exotermická reakce, ale řetězec reakcí, během kterých se uvolňuje energie, rozptyluje se jako teplo a ukládá se do ATP.

Biologická oxidace je enzymatický proces.

Biologická oxidace probíhá při nízké teplotě a za přítomnosti vody.

Při hoření organická hmota k uvolnění energie dochází v důsledku oxidace uhlíku na oxid uhličitý a při biologické oxidaci v důsledku oxidace vodíku, redukce kyslíku na vodu.

Historie vývoje nauky o biologické oxidaci.

Oxidázová teorie A. N. Bacha

Cesta vzdušného kyslíku k substrátu probíhá přes peroxid.

Aktivace molekulárního kyslíku:

a) oxygenáza + O 2  oxygenáza + peroxid

b) oxygenáza + substrát  oxygenáza + oxidovaný substrát.

Teorie V. I. Palladina

Oxidace v živém organismu probíhá dehydrogenací.

Akceptorem vodíku může být nejen kyslík, ale i jiná látka.

Esence oxidace

Chemické reakce, při kterých dochází k přenosu elektronu z jedné molekuly do druhé, se nazývají redoxní reakce.

Sloučeniny, které darují elektron, donory elektronů nebo redukční činidla.

Sloučeniny, které přijímají elektron

akceptory elektronů nebo oxidační činidla.

Oxidační a redukční činidla fungují jako konjugované redoxní páry (redoxní páry).

Fe + ē  Fe

oxidační činidlo, redukční činidlo,

akceptor dárce

Každý redoxní pár je charakterizován standardním potenciálem (ve voltech)

Redoxní potenciál

Redoxní potenciál udává směr přenosu elektronů.

Při porovnání redoxního potenciálu systému s normální vodíkovou elektrodou, jejíž potenciál je nulový, se získají hodnoty, které odrážejí redoxní schopnosti látky.

tkáňové dýchání- druh biologické oxidace, při které je kyslík akceptorem elektronů

Substráty tkáňového dýchání:

Kyseliny v Krebsově cyklu (isocitrát, a-ketoglutarát, sukcinát, malát),

• aminokyseliny,

  α-glycerofosfát,

  mastné kyseliny.

Tkáňové dýchání se provádí pomocí enzymů dýchacího řetězce.

Schéma přeměny energie v živých buňkách: tkáňové dýchání, tvorba ATP a způsoby jeho využití.

S
Struktura ATP

Metody syntézy ATP

Dýchací řetězec je sekvence oxidoreduktáz ve vnitřní membráně mitochondrií, které provádějí přenos elektronů a protonů ze substrátu na molekulární kyslík.

Mitochondrie

Přenos elektronů a protonů za účasti mezinosičů.

SH2 - počáteční donor protonů a elektronů;

P1, P2, P3, P4 - mezilehlé nosiče;

E1, E2, E3, E4 - enzymy redoxních reakcí

Dýchací řetězec je hlavním dodavatelem energie pro syntézu makroergických vazeb molekul ATP v procesu oxidativní fosforylace.

Udržování tepelné rovnováhy v těle. 57 % energie se uvolní jako teplo.

Složky dýchacího řetězce

Vodík vstupuje do dýchacího řetězce ve formě NADH2, protože většina dehydrogenáz uvnitř mitochondrií je závislá na NAD a také při působení na substrát flavindehydrogenázu (koenzym FAD).

NAD-dependentní dehydrogenázy

přijímat elektrony a protony přímo ze substrátu:

S -HH + NAD +  S + NADH + H +

kolektorová funkce NAD shromažďuje elektrony a protony ze substrátu.

Většina dehydrogenáz má NAD, ale může mít také NADP (G-6-PD).

Některé pyridin-dependentní dehydrogenázy jsou lokalizovány v mitochondriích a některé jsou v cytoplazmě.

Cytosolické a mitochondriální pooly NAD a NADP jsou od sebe odděleny mitochondriální membránou, která je pro tyto koenzymy nepropustná.

Shuttle mechanismy přenášejí redukované nukleotidy (NADH + H) z cytoplazmy do mitochondrií /

V cytoplazmě je oxalacetát redukován na malát, který proniká do mitochondrií.

V mitochondriích se působením mitochondriálního MDH malát přeměňuje na PAA a NADH + H přenáší elektrony a protony do dýchacího řetězce.

Redoxní systém dýchacího řetězce

D dýchací řetězec zahrnuje 4 enzymové komplexy, které katalyzují oxidaci NADH+H kyslíkem.

NADH-KoQ reduktáza katalyzuje přenos elektronů z NADH na KoQ.

NADH dehydrogenáza,

nehemové klastry FeS,

NADH dehydrogenáza

flavoprotein,

nachází se ve vnitřní membráně mitochondrií.

Koenzym je FMN, který přijímá elektrony z NADH+H.

FMN + NADH + H  FMNN 2 + NAD

V proteinech FeS je železo vázáno na zbytek síry.

Sukcinát-KoQ reduktáza katalyzuje přenos elektronů z sukcinátu na KoQ

Tento komplex zahrnuje:

nehemové Fe,

SDH je flavoprotein

jsou pevně vázány na vnitřní membránu mitochondrií.

Koenzym je FAD.

KoQ (ubichinon)

Zdrojem ubichinonu jsou vitamíny K a E.

KoQ se nachází v dýchacím řetězci mezi flavinovými enzymy a cytochromy.

KoQ + FMNN 2  KoQН 2 + FMN

Ubiquinone je sběratel, protože sbírá snížený

ekvivalenty nejen z NADH-DG, ale i z SDH

a další komponenty.

KoQH2 - cytochrom C reduktáza katalyzuje přenos elektronů z KoQH2 do cytochromu

Součástí komplexu je:

cytochrom b,

cytochrom C1,

nehemové Fe,

Cytochromy jsou složité bílkoviny obsahující železo, které jsou zbarveny červeně.

Koenzym je podobný hemu, ale železo v cytochromech mění valenci.

Poprvé popsal McMunn, studoval Kaylin.

Cytochromy přenášejí elektrony.

Je známo 25-30 různých cytochromů, které se liší v:

redox potenciál,

absorpční spektrum,

molekulární váha

Rozpustnost ve vodě.

P hemová růstová skupina ve struktuře cytochromů.

Vazba hemu na proteinovou část cytochromu C

Cytochromoxidáza katalyzuje přenos elektronů z cytochromu C na kyslík.

Součástí komplexu je:

cytochrom a

cytochrom a3,

nehemové Fe,

Cytochromoxidáza se liší od ostatních cytochromů:

přítomnost mědi

reaguje s kyslíkem

protonová pumpa.

Tento enzym má 4 redoxní centra:

Cytochrom C  CuA hem A  hem a 3  CuB  O 2

Сu + e  Сu

Při transportu jednoho elektronu dochází k přenosu dvou vodíkových iontů, z nichž jeden se využívá při redukci kyslíku na vodu a druhý prochází membránou.

Kyslík vstupující do mitochondrií z krve se váže na atom železa v cytochromu a hemu.

Potom každý z atomů molekuly kyslíku

připojí 2 elektrony a 2 protony,

přeměnou v molekulu vody.

Protony pocházejí z vodního prostředí.

4ē + 4Н + О 2  2Н 2 0

Denně se syntetizuje 200 - 400 ml vody - endogenní vody.

Celý proces oxidace NADH+H v dýchacím řetězci je spojen s přenosem 10H z vnitřku membrány ven.

Do tohoto procesu se zapojují komplexy I, III, IV.

Komplex II přenáší vodík z sukcinátu na KoQ. Tento komplex se přímo nepodílí na tvorbě energie.

Poruchy dýchacího řetězce

Stav fatální dětské mitochondriální myopatie a dysfunkce ledvin.

Je spojena s poklesem aktivity nebo úplnou absencí většiny oxidoreduktáz dýchacího řetězce.

Pořadí distribuce enzymů v dýchacím řetězci je určeno redoxním potenciálem.

Redoxní potenciál se v řetězci mění, protože elektrony ztrácejí volnou energii procházející řetězcem a pohybují se na nižší energetickou hladinu.

Substrát musí mít zápornější potenciál než nosič-enzym:

Glukóza (-0,5 V) je zapnuta na samém začátku dýchacího řetězce.

Kyselina askorbová (+ 0,2 V) se zapíná z cytochromu C1.

Elektrony mohou procházet všemi nosiči ze substrátu na kyslík.

Krátké řetězy

Sukcinát daruje elektrony FAD  CoQ  cytochromy  O 2 . Redoxní potenciál sukcinátu je -0,13.

Aminokyseliny  flavinové enzymy (oxidázy aminokyselin)  O 2  H 2 O 2.

Respirační inhibitory

Insekticid rotenon blokuje NADH-DG. Barbituráty blokují přechod z AF na ubichinon.

Antimycin A blokuje stadium: cytochrom B  cytochrom C.

Kyanidy, oxid uhelnatý - inhibitory cytochromoxidázy. Kyselina kyanovodíková reaguje s Fe, oxid uhelnatý s Fe.

Kaskádovité uvolňování energie v dýchacím řetězci

Průchod elektronu podél řetězce je doprovázen postupným, stupňovitým, zlomkovým uvolňováním energie.

Celkový pokles energie v dýchacím okruhu z -0,32 na +0,82 je 1,14 V.

Kaskádovou energii lze využít.

Přenos jednoho páru elektronů z NADH + H na kyslík dává 52,6 kcal.

Jelikož energii elektronů nelze „skladovat“, přeměňuje se na energii chemické vazby ATP.

Existují 2 typy dýchacích řetězců:

spojené s transportem energie,

nesouvisí s transportem energie.

Tkáňové dýchání zahrnuje:

odstranění vodíku ze substrátu,

vícestupňový proces přenosu elektronů na kyslík.

Přenos elektronů je doprovázen úbytkem volné energie.

Část energie se rozptýlí ve formě tepla a 40 % se využije na syntézu ATP.

Mitochondrie jsou buněčné organely, jejichž fungování pro všechny znalý člověk jednoznačně souvisí s výrobou energie. V mitochondriální matrici jsou skutečně lokalizovány různé enzymy nezbytné pro oxidaci substrátů.
Vnitřní mitochondriální membrána navíc obsahuje systém elektronových nosičů proteinů, které zajišťují terminální fázi oxidace substrátu a vytvářejí podmínky pro syntézu ATP.

Tento systém nosných proteinů má několik názvů: dýchací řetězec, elektronový transportní řetězec, elektronový transportní řetězec, redoxní řetězec (redoxní řetězec). Některé z těchto názvů přesněji odrážejí podstatu procesů, které se vyskytují za účasti tohoto řetězce, ale nejčastěji používají jednodušší název - dýchací řetězec.
Podíl bílkovin dýchacího řetězce je významný a činí 30-40 % z celkové bílkoviny vnitřní membrány mitochondrií.
Dýchací řetězec obsahuje:

• 1) depozita pyridindehydrogenázy (obsahují NAD+);
• 2) depozita flavindehydrogenázy (obsahující FAD a FMN);
• 3) cytochromy (c, c, cl, aa3);
• 4) lyžování proteinů;
• 5) volný koenzym – ubichinon.

Právě tato sekvence složek není náhodná, ale je určena hodnotami jejich redox potenciálu (Eo). Tato konstanta kvantitativně charakterizuje schopnost redoxního páru, tedy schopnost oxidované a redukované formy určité sloučeniny darovat elektron zpět. Čím nižší je (záporná) hodnota ORP páru, tím vyšší je jeho schopnost darovat elektrony, to znamená být oxidován. Naopak pár s vyšším (kladným) Eo přijme elektrony a bude redukován. Elektrony se tedy pohybují od jednoho páru OB k druhému ve směru kladnějšího Eo. Tento přenos elektronů je doprovázen poklesem volné energie.
Všichni účastníci elektronového transportního řetězce jsou strukturálně spojeni do čtyř redoxních systémů - multienzymových komplexů I - IV.

Oxidační proces začíná přenosem protonů a elektronů ze substrátu, který se oxiduje na NAD+ nebo FAD. Záleží na povaze substrátu. Každý z komplexů je schopen katalyzovat určitou část kompletní sekvenceřetězové reakce.
Tyto komplexy jsou součástí vnitřní membrány mitochondrií.

Komplex I - NADH dehydrogenáza - flavoprotein obsahující FMN. Tento enzym oxiduje NADH a přenáší dva atomy vodíku (2H + 2e-) na koenzym Q. Komplex dále obsahuje proteiny FeS. Komplex II - sukcinátdehydrogenáza - flavoproteiny obsahující FAD. Tento enzym oxiduje sukcinát a transportuje dva atomy vodíku (2H + 2e-) do koenzymu Q. Komplex obsahuje proteiny FeS.
Mitochondriální matrix obsahuje i další FAD-dependentní dehydrogenázy, které oxidují odpovídající substráty (glycerol-3-fosfát, acyl-CoA) a následně přenášejí atomy vodíku na koenzym Q.

Toky atomů vodíku se spojují ve fázi tvorby redukovaného CoQH2.
Koenzym Q je poslední složkou řetězce, která je schopna transportovat nejen protony, ale i elektrony (2H + 2e-). Dále protony (2H +) přecházejí z vnitřního povrchu mitochondriální membrány na vnější a elektrony (2e-) jsou přenášeny na kyslík prostřednictvím řetězce cytochromu.

Komplex III - ubichinondehydrogenáza - je enzymový komplex, který zahrnuje cytochrom b, FeS-protein a cytochrom c1. Tento komplex transportuje elektrony 2e- z redukovaného ubichinonu KoQH2 do cytochromu c (malý, ve vodě rozpustný protein nacházející se na vnější straně vnitřní membrány).

Komplex IV - cytochrom c oxidáza - enzymový komplex skládající se z cytochromů a a a3. Tyto enzymy provádějí poslední stupeň biologické oxidace - redukci molekulárního kyslíku elektrony (2e-).
Redukovaný kyslík О2- reaguje s volnými protony (2Н +) matrice. V důsledku reakce vzniká endogenní neboli metabolická voda.

Směr přenosu protonů a elektronů je určen redoxními potenciály. Aby byl zajištěn samovolný přenos, musí být složky redoxní řady uspořádány podle nárůstu hodnot potenciálu.
Redoxní potenciál páru NAD + / NADH \u003d - 0,32 V, což naznačuje vysokou schopnost darovat elektrony. Redoxní potenciál páru kyslík / voda = + 0,82 V, což ukazuje na vysokou elektronovou afinitu.

Celkový rozdíl redoxních potenciálů je 1,14 V. To odpovídá změně volné energie DG = -220 kJ / mol. Toto celkové množství reakční energie je rozděleno do menších a pohodlnějších „balíčků“, jejichž hodnoty jsou určeny rozdílem redox potenciálů příslušných meziproduktů.

Při průchodu páru elektronů dýchacím řetězcem se uvolňuje energie, z níž se většina (60 %) rozptýlí ve formě tepla a zbytek se akumuluje v makroergických vazbách ATP, konkrétně se absorbuje při syntéze reakce ATP-oxidační fosforylace.
Tato fosforylace se nazývá oxidativní, protože energie nezbytná pro vytvoření makroergické vazby vzniká v procesu oxidace, tedy pohybu protonů a elektronů podél mitochondriálního elektronového transportního řetězce.

Prvním takovým místem je NAD®FMN, druhým je cytochrom b®cytochrom c1 a třetím je cytochrom Aa3® kisen. Tato místa se nazývají fosforylační body. Termín „bod fosforylace" nebo „místo fosforylace" by neměl být chápán jako specifický stupeň, ve kterém přímo nastává tvorba ATP. Jde o to, že tok elektronů těmito třemi částmi řetězce je nějakým způsobem spojen s tvorbou ATP (rozdíl OOP zde stačí na syntézu 1 molekuly ATP).

Během oxidace substrátů dehydrogenáz závislých na FAD (například sukcinátsukcinátdehydrogenázy) proud elektronů z FADH2 ke kyslíku neprochází přes první fosforylační místo. V těchto případech se syntetizuje méně než 1 molekula ATP, jsou dvě. Výtěžnost ATP při oxidaci různých substrátů a za různých podmínek je vyjádřena poměrem P/O, který odpovídá počtu anorganických fosfátových molekul obsažených v ATP na jeden atom spotřebovaného (absorbovaného) kyslíku. Tento poměr se také nazývá fosforylační koeficient. Poměr P / O při přenosu páru elektronů z NADH na kyslík je tedy 3 a z FADH2 na kyslík - 2. Pod vlivem inhibitorů tkáňového dýchání se poměr P / O snižuje.