Szerkezetileg és funkcionálisan rokon transzmembrán fehérjék és elektronhordozók rendszere. Lehetővé teszi a NAD*H és FADH2 molekuláris oxigén általi oxidációja során felszabaduló energia tárolását transzmembrán protonpotenciál formájában az elektron lánc mentén történő szekvenciális átvitele következtében, és a protonoknak a membránon keresztül történő pumpálásával párosul. Az eukarióták szállítási lánca a mitokondriumok belső membránján található. A légzési láncban 4 multienzim komplex található. Van egy másik komplex is, amely nem az elektronok átvitelében vesz részt, hanem az ATP-t szintetizálja.

1. - CoA oxidoreduktáz.

1. Elfogadja az elektronokat a NADH-ból és átadja a Q koenzimnek (ubikinonnak). 2. 4 H+ iont visz át a belső mitokondriális membrán külső felületére.

2.-FAD-függő dehidrogenázok.

1. A FAD 3-citokróm c-oxidoreduktáz helyreállítása.

2. Elfogadja az elektronokat a Q koenzimből és átadja a citokróm c-nek.

3. 2 H+ iont visz át a belső mitokondriális membrán külső felületére.

4.-citokróm-c-oxigén-oxidoreduktáz.

1. Elfogadja az elektronokat a citokróm c-ből, és átadja azokat oxigénnek, így víz keletkezik.

2. 4 H+ iont visz át a belső mitokondriális membrán külső felületére. Minden hidrogénatom, amelyet a dehidrogenázok aerob körülmények között lehasítanak a szubsztrátokról, a NADH vagy FADH2 részeként elérik a belső mitokondriális membránt.

Az elektronok mozgásuk során energiát veszítenek -> az energiát a komplexek H protonok pumpálására fordítják A H ion transzfer szigorúan meghatározott területeken megy végbe -> konjugációs területek Eredmény: ATP termelés történik: A H + ionok elvesztik energiájukat az ATP szintázon áthaladva. ezt az ATP szintézishez használt energiát. A maradék hőként eloszlik.

A mitokondriumok légzőlánca 5 multienzim komplexből áll, amelyek alegységeit nukleáris és mitokondriális gének egyaránt kódolják. Az elektrontranszfer a koenzim Q10-et és a citokróm c-t foglalja magában. Az elektronok NAD * H és FAD "H molekulákból származnak, és a légzési lánc mentén szállítják őket. A felszabaduló energiát protonoknak a külső mitokondriális membránba történő szállítására használják, és az így létrejövő elektrokémiai gradienst ATP szintetizálására használják a mitokondriális légzőrendszer V komplexének felhasználásával. lánc

44. A légzési lánc elektronhordozóinak sorrendje és szerkezete

1 komplex. NADH-CoQ oxidoreduktáz

Ennek a komplexnek a munkaneve is a NADH-dehidrogenáz, FMN-t (flavin mononukleotid), 22 fehérjemolekulát tartalmaz, köztük 5 vas-kén fehérjét, amelyek összmolekulatömege eléri a 900 kDa-t.

Elfogadja az elektronokat a NADH-ból, és átadja a Q koenzimnek (ubikinonnak).

4 H+ iont visz át a belső mitokondriális membrán külső felületére.

2 komplex. FAD-függő dehidrogenázok

FAD-függő enzimeket tartalmaz, amelyek a belső membránon helyezkednek el – például acil-SCoA dehidrogenáz (oxidáció zsírsavak), szukcinát-dehidrogenáz (trikarbonsav-ciklus), mitokondriális glicerin-3-foszfát-dehidrogenáz (a NADH-nak a mitokondriumokba való átvitelére szolgáló ingajárati mechanizmus).

FAD visszanyerése redox reakciókban.

Az elektronok átvitelének biztosítása a FADH2-ből a mitokondriumok belső membránjának vas-kén fehérjéibe. Ezek az elektronok ezután a Q koenzimhez mennek.

46. ​​Az ezeket okozó oxidációs és foszforilációs faktorok szétkapcsolásának biokémiai mechanizmusai A légzés és a foszforiláció szétválasztása

Egyes vegyszerek (protonoforok) protonokat vagy más ionokat (ionofórokat) szállíthatnak a membránközi térből a membránon keresztül a mátrixba, megkerülve az ATP-szintáz protoncsatornáit. Ennek eredményeként az elektrokémiai potenciál eltűnik, és az ATP szintézise leáll. Ezt a jelenséget a légzés és a foszforiláció szétválásának nevezik. A szétkapcsolás hatására az ATP mennyisége csökken, az ADP pedig nő. Ebben az esetben a NADH és a FADH2 oxidációjának sebessége nő, és az elnyelt oxigén mennyisége is nő, de hő formájában energia szabadul fel, és a P/O arány meredeken csökken. A szétkapcsolók általában lipofil anyagok, amelyek könnyen átjutnak a membrán lipidrétegén. Az egyik ilyen anyag a 2,4-dinitro-fenol (6-17. ábra), amely könnyen átalakul ionizált formából nem ionizált formává azáltal, hogy a membránközi térben protont köt, és átviszi a mátrixba.

Példák a szétkapcsolókra bizonyos gyógyszerek is lehetnek, mint például a dikumarol – egy véralvadásgátló (lásd 14. pont) vagy a szervezetben képződő metabolitok, a bilirubin – a katabolizmus terméke (lásd 13. pont), a tiroxin – egy pajzsmirigyhormon (lásd 11. pont). ). Mindezek az anyagok csak nagy koncentrációban mutatnak szétkapcsoló hatást.

A foszforiláció kikapcsolása az ADP vagy szervetlen foszfát kimerülése után a légzés gátlásával jár (a légzésszabályozás hatása). Nagy szám a mitokondriális membrán károsodása megzavarja az oxidáció és a foszforiláció közötti kapcsolatot, lehetővé téve az elektrontranszfert még ATP szintézis hiányában is (lekapcsolási hatás).

1. Teljes kimenet:

1 ATP molekula szintéziséhez 3 proton szükséges.

2. Az oxidatív foszforiláció gátlói:

Az inhibitorok blokkolják a V komplexet:

Oligomicin - blokkolja az ATP-szintáz protoncsatornáit.

Atraktilozid, ciklofillin - blokkolja a transzlokázokat.

3. Az oxidatív foszforiláció szétkapcsolói:

Az uncouplerek olyan lipofil anyagok, amelyek képesek protonokat befogadni és a mitokondriumok belső membránján keresztül szállítani, megkerülve a V komplexet (protoncsatornáját). Szakaszolók:

Természetes - lipid-peroxidáció termékei, hosszú szénláncú zsírsavak; nagy dózisú pajzsmirigyhormonok.

Mesterséges - dinitrofenol, éter, K-vitamin származékok, érzéstelenítők.

Légzőlánc komplexek

• A III-as komplex (Cytochrome bc1 komplex) az ubikinonból elektronokat ad át a mitokondriumok belső membránján elhelyezkedő két vízoldható citokróm c-nek. Az ubikinon 2 elektront, a citokrómok pedig egy elektront adnak át ciklusonként. Ugyanakkor 2 proton ubikinon is áthalad ott, és a komplex pumpálja.

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

FeS - vas-kén központok.

MUTASS TÖBBET:

. Légzési elektrontranszport lánc

A légzési elektrontranszport lánc (ETC, ETC) szerkezetileg és funkcionálisan rokon transzmembrán fehérjék és elektronhordozók rendszere. Az ETC lehetővé teszi, hogy a NADH és FADH2 molekuláris oxigénnel (aerob légzés esetén) vagy más anyagokkal (anaerob légzés esetén) oxidációja során felszabaduló energiát a szekvenciális átvitel következtében transzmembrán protonpotenciál formájában tárolja. egy elektron a lánc mentén, összekapcsolva a protonok membránon keresztüli pumpálásával. a légzési lánc összetevői. A légzési lánc három fehérjekomplexet (I., III. és IV. komplex) foglal magában, amelyek a belső mitokondriális membránba épülnek, és két mobil hordozómolekulát - ubikinont (koenzim Q) és citokróm c. A szukcinát-dehidrogenáz, amely magához a citrátciklushoz tartozik, szintén a légzési lánc II komplexének tekinthető. Az ATP-szintázt néha V komplexnek nevezik, bár nem vesz részt az elektronátvitelben. A légzési lánc komplexek számos polipeptidből épülnek fel, és számos különböző, a fehérjékhez kapcsolódó redox koenzimet tartalmaznak. Ide tartozik a flavin [FMN (FMN) vagy FAD (FAD), az I. és II. komplexben], a vas-kén centrumok (I., II. és III.) és hemcsoportok (II., III. és IV.). A legtöbb komplexum részletes szerkezete még nem alakult ki. Az elektronok különféle módon jutnak be a légzési láncba. A NADH + H+ oxidációja során az I komplex FMN és Fe/S központokon keresztül elektronokat ad át az ubikinonnak. A szukcinát, acil-CoA és más szubsztrátok oxidációja során keletkező elektronokat a komplex II vagy egy másik mitokondriális dehidrogenáz egy enzimhez kötött FADH2-n vagy flavoproteinen keresztül az ubikinonba viszi át (lásd 1.

Elektronszállítási lánc (tspe).

Val vel. 166), míg a Q koenzim oxidált formája aromás ubihidrokinonná redukálódik. Ez utóbbi elektronokat ad át a III-as komplexbe, amely két hem b-n, egy Fe/S központon és hem c1-en keresztül egy kis hem tartalmú citokróm c fehérjéhez juttatja őket. Ez utóbbi elektronokat ad át a IV komplexnek, a citokróm c oxidáznak. A citokróm c-oxidáz két réztartalmú centrumot (CuA és CuB), valamint a redox reakciókhoz szükséges a és a3 hemeket tartalmaz, amelyeken keresztül az elektronok végül bejutnak az oxigénbe. Az O2 redukálásakor erős bázikus anion O2- keletkezik, amely két protont megköt és vízbe kerül. Az elektronáramlás az I, III és IV komplexek által alkotott proton gradienshez kapcsolódik. A légzési lánc felépítése. A protonok I., III. és IV. komplexek általi átvitele a mátrixból vektoriálisan megy végbe a membránközi térbe. A légzési láncban az elektronok átvitelekor a H + -ionok koncentrációja nő, azaz a pH-érték csökken. Az ép mitokondriumokban lényegében csak az ATP-szintáz teszi lehetővé a protonok fordított mozgását a mátrixba. Ez az alapja az elektrontranszfer szabályozásilag fontos konjugációjának az ATP képződésével. Az ubikinon a nem poláris oldalláncnak köszönhetően szabadon mozog a membránban. A vízben oldódó citokróm c a belső membrán külső oldalán található. A NADH (NADH) I komplex általi oxidációja a membrán belső oldalán, valamint a mátrixban történik, ahol a citrátciklus és a β-oxidáció is megtörténik - a legtöbb fontos források NADH. Emellett a mátrixban az O2 redukciója és az ATP (ATP) képződése is végbemegy. A keletkező ATP az antiport mechanizmus révén (ADP ellen) kerül az intermembrán térbe (lásd 214. oldal), ahonnan porinokon keresztül behatol a citoplazmába.

Légzőlánc komplexek

• Az I-es komplex (NADH-dehidrogenáz) oxidálja a NADH-t, ebből két elektront vesz át, és átadja a lipidoldható ubikinonnak, amely a membránon belül a III-as komplexhez diffundál. Ugyanakkor az I komplex 2 protont és 2 elektront pumpál a mátrixból a mitokondriumok membránközi terébe.
• A II-es komplex (szukcinát-dehidrogenáz) nem pumpál protonokat, hanem a szukcinát oxidációja miatt további elektronok láncába jut be.
• A III-as komplex (Cytochrome bc1 komplex) az ubikinonból elektronokat ad át a mitokondriumok belső membránján elhelyezkedő két vízoldható citokróm c-nek. Az ubikinon 2 elektront, a citokrómok pedig egy elektront adnak át ciklusonként.

Mitokondriális elektrontranszport lánc

Ugyanakkor 2 proton ubikinon is áthalad ott, és a komplex pumpálja.

• A komplex IV (Cytochrome c oxidase) katalizálja 4 elektron átvitelét 4 citokróm molekuláról az O2-re, és 4 protont pumpál a membránközi térbe. A komplex a és a3 citokrómokból áll, amelyek a hem mellett rézionokat is tartalmaznak.

A vérből a mitokondriumokba jutó oxigén a citokróm a3 hemében található vasatomhoz kötődik O2 molekula formájában. Az oxigénatomok mindegyike két elektront és két protont köt össze, és vízmolekulává alakul.

A Krebs-ciklusban képződő szubsztrát dehidrogénezésen (hidrogénleváláson) megy keresztül, melynek eredményeként energia szabadul fel, amely az ATP képződésére megy el, és a folyamat során keletkező elektronok és protonok oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Az O2 molekula redukciója 4 elektron átvitelének eredményeként megy végbe. Minden egyes oxigénhez 2 elektron hozzáadásával a hordozóláncon keresztül 2 proton abszorbeálódik a mátrixból, ami egy H2O molekulát eredményez.

Az elektronok a hordozók lánca mentén kerülnek átvitelre, amelyek magában a membránban találhatók. Az elektronokat befogadó hordozók oxidálódnak, és a következő hordozónak adományozva helyreállnak. A CPE végén az elektronok oxigénbe kerülnek.

A protonok kiszorulnak a mitokondriális membránból.

A protonok elmozdulása a membránon belüli elektronok mozgásának energiája miatt következik be.

A protonok nem tudnak spontán visszatérni a membránba, ezért pozitív töltés halmozódik fel a külső oldalán.

A CPE végén lévő protonok ismét egy speciális fehérjén - ATP-szintetázon (5-ös faktor) keresztül haladnak be, és részt vesznek a víz képződésében. Amikor egy proton áthalad az ATP-szintetázon, energia szabadul fel, amely az ATP szintéziséhez megy.

A hordozók OVR reakciói eredményeként ATP képződik ADP-ből és szervetlen foszfátból.

Fontos: ADP jelenléte nélkül oxidáció nem megy végbe!

A NAD- és NADP-függő dehidrogenázok szubsztrátjai a mitokondriális mátrixban és a citoszolban találhatók.

A fő elektronhordozók a mitokondriumok belső membránjába épülnek be, és 4 komplexbe szerveződnek, amelyek egy bizonyos sorrendben (vektorban) vannak elrendezve. Ebben a sorrendben standard redox potenciáljuk pozitívabbá válik, ahogy közelednek az oxigénhez.

1. A szubsztrátot először a dehidrogenáz - NAD + oxidálja, ennek eredményeként a NAD + koenzim protont fogad és NADH-ba megy át.

A legtöbb, a CPE-t elektronokkal ellátó dehidrogenáz NAD+-t tartalmaz. Olyan reakciókat katalizálnak, mint:

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

A NADPH nem közvetlen elektrondonor a CPE-ben, de szinte használják

kizárólag reduktív bioszintézisben. A NADPH-ból származó elektronok beépülése a CPE-be azonban lehetséges a piridin nukleotid transzhidrogenáz hatása miatt, amely katalizálja a reakciót:

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

A flavin-dehidrogenázok koenzimként FAD-ot vagy FMN-t tartalmaznak.

A FAD elektronakceptorként szolgál számos szubsztrátumból olyan reakciókban, mint például:

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

ahol E az enzim fehérje része.

A legtöbb FAD-függő dehidrogenáz oldható fehérje, amely a mitokondriális mátrixban lokalizálódik. A kivétel a szukcinát-dehidrogenáz, amely a mitokondriumok belső membránjában található.

Vagy a szubsztrátot a dehidrogenáz-FAD+ oxidálja, aminek következtében a FAD koenzim protont fogad és FADH2-vé válik.

Ha a szukcinát (borostyánkősav) oxidálódik, akkor az oxidáció a szukcinát-dehidrogenáz által azonnal FAD+-on keresztül megy végbe.

A FAD a FES-en keresztül elektronokat adományoz a Q-koenzimnek (ubikinon).

Fontos: az ubikinon nem fehérje. Az összes többi hordozó fehérje!

FeS - vas-kén központok.

Előző12345678910111213Következő

MUTASS TÖBBET:

Általában a légzőlánc munkája a következő:

Légzési elektrontranszport lánc

A katabolizmus során keletkező NADH és FADH2 hidrogénatomokat (azaz hidrogén protonokat és elektronokat) ad át a légzőlánc enzimeknek.

2. Az elektronok a légzési lánc enzimjein keresztül mozognak és energiát veszítenek.

3. Ezt az energiát arra használják, hogy a H+ protonokat a mátrixból a membránközi térbe pumpálják.

4. A légzési lánc végén az elektronok eltalálják az oxigént és vízzé redukálják.

5. A H+ protonok visszahajlanak a mátrixba és áthaladnak az ATP szintázon.

6. Ugyanakkor energiát veszítenek, amit az ATP szintézisére használnak fel.

Az oxidatív foszforiláció általános elve

A NAD és a FAD rekonstruált formái oxidálódnak a légzési lánc enzimei, ennek köszönhetően foszfátot adnak az ADP-hez, pl. foszforiláció. Ezért az egész folyamatot ún oxidatív foszforiláció.

légzőlánc

Teljes elektrontranszport lánc körülbelül 40 különböző fehérjét tartalmaz, amelyek 4 nagy membránhoz kötött multienzim komplexbe szerveződnek. Van egy másik komplex is, amely nem az elektronok átvitelében vesz részt, hanem az ATP-t szintetizálja.

A légzési lánc blokkdiagramja

Elektronhordozók

1. A c1, c, a, a3 citokrómok (protézis csoport - hem) a légzési lánc különböző részein helyezkednek el, a citokróm c egy mobil vízoldható fehérje, amely a membrán külső oldalán mozog a 3. és 4. komplex között. . Az aa3 citokrómok hem A-t tartalmaznak. A metil (-CH3) és vinil (-CH=CH2) csoportok helyett formil (-CH) csoportot, illetve szénhidrogén láncot tartalmaz. A második jellemző a rézionok jelenléte speciális fehérjeközpontokban.

Cu+<->Сu2+ + e és Fe2+<->Fe3+ + e

2. Vas-kén fehérjék (FeS) - nem hem fehérjék, amelyek flavin enzimekkel (1, 2, 3 komplex) együtt működnek.

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

(NAD+ + 2e + 2H+ ————- NADH + H+)

KoQ (ubikinon) – nem fehérje hordozó, komplex 3.

Az izoprén hosszú hidrofób "farka" biztosítja az ubikinon mobilitását a lipid kettős rétegben.

A KoQ és a citokróm c mozgékony, a többi integrált fehérje.

A légzési lánc enzimatikus komplexeinek szerkezete

Összetett. NADH-CoQ reduktáz

Ennek a komplexumnak munkacíme is van NADH-dehidrogenáz, 1FMN, 6 vas-kén fehérjét tartalmaz.

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

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

3. Fex Sx ————2e———KoQ

Funkció

1. Elfogadja az elektronokat a NADH-ból és átadja azokat koenzim Q(ubikinon).

2. A 4H+-t a belső mitokondriális membrán külső felületére viszi át.

14.1.1. A piruvát-dehidrogenáz reakcióban és a Krebs-ciklusban a szubsztrátok (piruvát, izocitrát, α-ketoglutarát, szukcinát, malát) dehidrogénezése (oxidációja) megy végbe. E reakciók eredményeként NADH és FADH2 képződik. A koenzimek ezen redukált formái a mitokondriális légzőláncban oxidálódnak. A NADH és FADH2 oxidációját, amely az ATP ADP-ből és H3PO4-ből történő szintézisével összefüggésben megy végbe, az ún. oxidatív foszforiláció.

A mitokondriumok szerkezetének diagramja a 14.1. ábrán látható. A mitokondriumok intracelluláris organellumok két membránnal: külső (1) és belső (2). A belső mitokondriális membrán számos redőt - cristae - alkot (3). A belső mitokondriális membrán által határolt teret mátrixnak (4), a külső és belső membrán által határolt teret intermembrán térnek (5) nevezzük.

14.1. ábra. A mitokondriumok szerkezetének diagramja.

14.1.2. légzőlánc- enzimek szekvenciális lánca, amely hidrogénionokat és elektronokat visz át az oxidált szubsztrátumokból a molekuláris oxigénbe - a végső hidrogén akceptorba. E reakciók során az energia felszabadulása fokozatosan, kis adagokban történik, és ATP formájában felhalmozódhat. A légzési lánc enzimek lokalizációja a belső mitokondriális membrán.

A légzési lánc négy multienzim komplexet foglal magában (14.2. ábra).

14.2. ábra. A légzési lánc enzimkomplexei (az oxidáció és a foszforiláció konjugációs helyeit feltüntettük):

I. NADH-KoQ reduktáz(köztes hidrogénakceptorokat tartalmaz: flavin-mononukleotidot és vas-kén fehérjéket). II. Szukcinát-KoQ-reduktáz(köztes hidrogén akceptorokat tartalmaz: FAD és vas-kén fehérjéket). III. KoQH 2-citokróm c-reduktáz(elektronakceptorokat tartalmaz: citokróm b és c1, vas-kén fehérjék). IV. Citokróm c oxidáz(elektronakceptorokat tartalmaz: citokróm a és a3, rézionok Cu2+).

14.1.3. Az ubikinon (koenzim Q) és a citokróm c köztes elektronhordozóként működik.

Ubikinon (KoQ)- zsírban oldódó vitaminszerű anyag, amely könnyen diffundálhat a mitokondriumok belső membránjának hidrofób fázisában. A Q koenzim biológiai szerepe az elektronok átvitele a légzőláncban a flavoproteinekről (I. és II. komplex) a citokrómokra (III. komplex).

Citokróm c- komplex fehérje, kromoprotein, melynek protetikus csoportja - hem - változó vegyértékű vasat tartalmaz (oxidált formában Fe3+ és redukált formában Fe2+). A citokróm c egy vízben oldódó vegyület, amely a belső mitokondriális membrán perifériáján, a hidrofil fázisban található. A citokróm c biológiai szerepe az elektronok átvitele a légzőláncban a III-as komplexből a IV-es komplexbe.

14.1.4. A légzési lánc közbenső elektronhordozói redox potenciáljuk szerint vannak elrendezve. Ebben a sorrendben csökken az elektronok adományozási (oxidációs) képessége, és nő az elektronszerzési (visszanyerési) képesség. A NADH rendelkezik a legnagyobb elektrondonor képességgel, a molekuláris oxigén pedig a legnagyobb elektronkötési képességgel.

A 14.3. ábra a protonok és elektronok egyes köztes hordozóinak reaktív helyének szerkezetét mutatja oxidált és redukált formában, valamint azok egymásba való átalakulását.

14.3. ábra. A közbenső elektron- és protonhordozók oxidált és redukált formáinak interkonverziói.

14.1.5. Az ATP szintézis mechanizmusa leírja kemiozmotikus elmélet(szerző - P. Mitchell). Ezen elmélet szerint a légzési láncnak a belső mitokondriális membránban elhelyezkedő komponensei az elektrontranszfer során képesek protonokat „befogni” a mitokondriális mátrixból, és átvinni a membránközi térbe. Ebben az esetben a belső membrán külső felülete pozitív töltést, míg a belső negatív töltést, azaz. protonkoncentráció gradiens jön létre savasabb pH mellett. Így keletkezik a transzmembrán potenciál (ΔµН+ ). A légzőláncnak három szakasza van, ahol kialakul. Ezek a szakaszok az elektrontranszport lánc I, III és IV komplexeinek felelnek meg (14.4. ábra).

14.4. ábra. A légzési lánc enzimek és az ATP-szintetáz elhelyezkedése a mitokondriumok belső membránjában.

Az elektrontranszfer energiája miatt a membránközi térbe felszabaduló protonok ismét átmennek a mitokondriális mátrixba. Ezt a folyamatot a H + -függő ATP-szintetáz (H + -ATPáz) enzim hajtja végre. Az enzim két részből áll (lásd 10.4. ábra): egy vízoldható katalitikus részből (F1) és egy membránba merített protoncsatornából (F0). A H+ ionok átmenete egy magasabb koncentrációjú régióból egy alacsonyabb koncentrációjú régióba szabadenergia felszabadulásával jár, aminek következtében ATP szintetizálódik.

14.1.6. Az ATP formájában felhalmozódott energia a szervezetben különféle biokémiai és élettani folyamatok biztosítására szolgál. Emlékezzen az ATP energia felhasználásának főbb példáira:

1) komplex szintézise vegyi anyagok az egyszerűbbektől (anabolizmus reakciók); 2) izomösszehúzódás (mechanikai munka); 3) transzmembrán biopotenciálok kialakulása; 4) aktiv szállitás anyagok a biológiai membránokon keresztül.

A biológiai oxidáció az élő sejtekben zajló szubsztrát oxidációs reakciók összessége, melynek fő funkciója az anyagcsere energiaellátása.

Az oxidatív folyamatok fő funkciói:

1) újrahasznosítható formában lévő energiatároló,

2) energia disszipáció hő formájában,

3) hasznos vegyületek képződése,

4) káros anyagok felosztása.

A biológiai oxidáció és az égés közötti különbségek

A biológiai oxidáció nem egylépéses exoterm reakció, hanem olyan reakciók láncolata, amely során energia szabadul fel, hőként disszipálódik, és az ATP-ben raktározódik.

A biológiai oxidáció enzimatikus folyamat.

A biológiai oxidáció alacsony hőmérsékleten és víz jelenlétében megy végbe.

Égéskor szerves anyag energiafelszabadulás a szén oxidációja miatt következik be szén-dioxid, a hidrogén oxidációja miatti biológiai oxidációban pedig az oxigén vízzé redukciója.

A biológiai oxidáció tanának fejlődéstörténete.

A. N. Bach oxidázelmélete

A levegő oxigénjének útja a szubsztrátumhoz a peroxidon keresztül vezet.

Molekuláris oxigén aktiválás:

a) oxigenáz + O 2  oxigenáz + peroxid

b) oxigenáz + szubsztrát  oxigenáz + oxidált szubsztrát.

V. I. Palladin elmélete

Az élő szervezetben az oxidáció dehidrogénezéssel megy végbe.

A hidrogén akceptor nemcsak oxigén lehet, hanem más anyag is.

Az oxidáció lényege

Azokat a kémiai reakciókat, amelyek során az elektron egyik molekulából a másikba kerül át, redox reakcióknak nevezzük.

Elektront adományozó vegyületek, elektrondonorok vagy redukálószerek.

Elektront fogadó vegyületek

elektronakceptorok vagy oxidálószerek.

Az oxidáló és redukáló szerek konjugált redox párokként (redox párok) működnek.

Fe + ē  Fe

oxidálószer, redukálószer,

akceptor donor

Minden redoxpárt egy szabványos potenciál jellemez (voltban)

Redoxpotenciál

A redoxpotenciál az elektrontranszfer irányát jelzi.

A rendszer redoxpotenciáljának összehasonlításakor egy normál hidrogénelektróddal, amelynek potenciálja nulla, olyan értékeket kapunk, amelyek tükrözik az anyag redox képességeit.

szöveti légzés- a biológiai oxidáció egy fajtája, amelyben az oxigén elektronakceptor

A szöveti légzés szubsztrátjai:

Krebs-ciklusú savak (iszocitrát, a-ketoglutarát, szukcinát, malát),

• aminosavak,

  α-glicerofoszfát,

  zsírsav.

A szöveti légzés a légzőlánc enzimei segítségével történik.

Az energiaátalakítás sémája élő sejtekben: szöveti légzés, ATP képződés és felhasználási módok.

VAL VEL
ATP szerkezete

ATP szintézis módszerei

A légzési lánc a mitokondriumok belső membránjában található oxidoreduktázok sorozata, amelyek az elektronok és protonok átvitelét végzik a szubsztrátumból a molekuláris oxigénbe.

Mitokondriumok

Elektronok és protonok átvitele köztes hordozók részvételével.

SH2 - protonok és elektronok kezdeti donora;

P1, P2, P3, P4 - köztes hordozók;

E1, E2, E3, E4 - redox reakciók enzimei

A légzési lánc a fő energiaszolgáltató az ATP-molekulák makroerg kötéseinek szintéziséhez az oxidatív foszforiláció folyamatában.

A test hőegyensúlyának fenntartása. Az energia 57%-a hőként szabadul fel.

A légzési lánc összetevői

A hidrogén NADH2 formájában jut be a légzőláncba, mivel a mitokondriumokban található dehidrogenázok többsége NAD-függő, és akkor is, ha a flavin-dehidrogenáz szubsztrátra (FAD koenzim) hat.

NAD-függő dehidrogenázok

közvetlenül a hordozóról fogadja az elektronokat és protonokat:

S -HH + NAD +  S + NADH + H +

a NAD kollektor funkciója elektronokat és protonokat gyűjt a hordozóról.

A legtöbb dehidrogenáz NAD-ot tartalmaz, de lehet NADP (G-6-PD) is.

Néhány piridinfüggő dehidrogenáz a mitokondriumokban, néhány pedig a citoplazmában található.

A NAD és NADP citoszolikus és mitokondriális készleteit a mitokondriális membrán választja el egymástól, amely nem átjárható ezeknek a koenzimeknek.

Az inga mechanizmusok csökkentik a redukált nukleotidokat (NADH + H) a citoplazmából a mitokondriumokba /

A citoplazmában az oxálacetát maláttá redukálódik, amely behatol a mitokondriumokba.

A mitokondriumokban a mitokondriális MDH hatására a malát PAA-vá alakul, a NADH + H pedig elektronokat és protonokat ad át a légzőláncnak.

A légzőlánc redox rendszere

D a légzőlánc 4 enzimkomplexet tartalmaz, amelyek a NADH+H oxigénnel történő oxidációját katalizálják.

A NADH-KoQ reduktáz katalizálja az elektrontranszfert a NADH-ról a KoQ-ra.

NADH dehidrogenáz,

nem hem FeS klaszterek,

NADH-dehidrogenáz

flavoprotein,

a mitokondriumok belső membránjában található.

A koenzim az FMN, amely NADH+H elektronokat fogad el.

FMN + NADH + H  FMNN 2 + NAD

A FeS fehérjékben a vas a kénmaradékhoz kötődik.

A szukcinát-KoQ reduktáz katalizálja az elektrontranszfert a szukcinátból a KoQ-ba

Ez a komplexum a következőket tartalmazza:

nem hem Fe,

Az SDH egy flavoprotein

szorosan kötődik a mitokondriumok belső membránjához.

A koenzim a FAD.

KoQ (ubikinon)

Az ubikinon forrása a K- és E-vitamin.

A KoQ a flavin enzimek és a citokrómok közötti légzőláncban található.

KoQ + FMNN 2  KoQН 2 + FMN

Az ubikinon gyűjtő, mivel csökkentett mennyiségben gyűjt

ekvivalensek nemcsak a NADH-DG-től, hanem az SDH-tól is

és egyéb alkatrészek.

KoQH2 – a citokróm C reduktáz katalizálja az elektrontranszfert a KoQH2-ről a citokrómra

A komplexum a következőket tartalmazza:

citokróm b,

citokróm C1,

nem hem Fe,

A citokrómok összetett vastartalmú fehérjék, amelyek vörös színűek.

A koenzim hasonló a hemhez, de a citokrómban lévő vas megváltoztatja a vegyértéket.

Először McMunn írta le, Kaylin tanulmányozta.

A citokrómok elektronokat hordoznak.

25-30 különböző citokróm ismert, amelyek különböznek:

redoxpotenciál,

abszorpciós spektrum,

molekuláris tömeg

vízben oldhatóság.

P hem növekedési csoportja a citokrómok szerkezetében.

A hem kötődése a citokróm C fehérje részéhez

A citokróm-oxidáz katalizálja az elektronok átvitelét a citokróm C-ből az oxigénbe.

A komplexum a következőket tartalmazza:

citokróm a

citokróm a3,

nem hem Fe,

A citokróm-oxidáz különbözik a többi citokrómtól:

réz jelenléte

oxigénnel reagál

protonpumpa.

Ennek az enzimnek 4 redox központja van:

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

Сu + e  Сu

Az egyik elektron szállítása során két hidrogénion kerül átadásra, amelyek közül az egyik az oxigén vízzé redukálására szolgál, a másik pedig áthalad a membránon.

A vérből a mitokondriumokba jutó oxigén a citokróm a hem vasatomjához kötődik.

Ezután az oxigénmolekula egyes atomjai

2 elektront és 2 protont köt,

vízmolekulává alakulva.

A protonok a vízi környezetből származnak.

4ē + 4Н + О 2  2Н 2 0

Naponta 200-400 ml víz szintetizálódik - endogén víz.

A légzési láncban a NADH+H oxidáció teljes folyamata a 10H átvitelével függ össze a membrán belsejéből kifelé.

Ebben a folyamatban az I, III, IV komplexek vesznek részt.

A II. komplex hidrogént visz át a szukcinátból a KoQ-ba. Ez a komplexum közvetlenül nem vesz részt az energiaképzésben.

Légzőrendszeri rendellenességek

Halálos gyermekkori mitokondriális myopathia és veseelégtelenség állapota.

A legtöbb légúti lánc oxidoreduktáz aktivitásának csökkenésével vagy teljes hiányával jár.

Az enzimek eloszlásának sorrendjét a légzési láncban a redoxpotenciál határozza meg.

A redoxpotenciál megváltozik a láncban, mivel az elektronok a láncon áthaladva szabad energiát veszítenek, így alacsonyabb energiaszintre kerülnek.

A szubsztrátnak negatívabb potenciállal kell rendelkeznie, mint a hordozó enzimnek:

A glükóz (-0,5 V) a légzési lánc legelején kapcsol be.

Az aszkorbinsavat (+ 0,2 V) a citokróm C1-ről kapcsolják be.

Az elektronok minden hordozón áthaladhatnak a szubsztrátumtól az oxigénig.

Rövid láncok

A szukcinát elektronokat ad a FAD  CoQ  citokrómoknak  O 2 -nek. A szukcinát redoxpotenciálja -0,13.

Aminosavak  flavin enzimek (aminosavak oxidázai)  O 2  H 2 O 2.

Légzésgátlók

A rotenon inszekticid blokkolja a NADH-DG-t. A barbiturátok blokkolják az AF-ről az ubikinonra való átmenetet.

Az antimycin A blokkolja a stádiumot: citokróm B  citokróm C.

Cianidok, szén-monoxid - a citokróm-oxidáz inhibitorai. A hidrogén-cianid reagál Fe-vel, a szén-monoxid Fe-vel.

Lépcsőzetes energiafelszabadulás a légzési láncban

Az elektronnak a láncon való áthaladását lépésenkénti, szakaszos, töredékes energiafelszabadulás kíséri.

A légzőkör teljes energiacsökkenése -0,32-ről +0,82-ra 1,14 V.

A lépcsőzetes energia hasznosítható.

Egy elektronpár NADH + H-ból oxigénbe történő átvitele 52,6 kcal-t ad.

Mivel az elektronok energiája nem „tárolható”, energiává alakul át kémiai kötések ATP.

A légzési láncoknak két típusa van:

energiaszállítással kapcsolatos,

nem kapcsolódik az energiaszállításhoz.

A szöveti légzés magában foglalja:

a hidrogén eltávolítása az aljzatból,

az elektronok oxigénbe történő átvitelének többlépcsős folyamata.

Az elektronok átvitele a szabadenergia csökkenésével jár.

Az energia egy része hő formájában disszipálódik, 40%-át pedig az ATP szintézisére használják fel.

A mitokondriumok olyan sejtszervecskék, amelyek működése bármely ismerő személy egyértelműen az energiatermeléshez kapcsolódik. Valójában a szubsztrátok oxidációjához szükséges különféle enzimek lokalizálódnak a mitokondriális mátrixban.
Ezenkívül a belső mitokondriális membrán elektronhordozó fehérjék rendszerét tartalmazza, amelyek biztosítják a szubsztrát oxidációjának terminális szakaszát, és feltételeket teremtenek az ATP szintéziséhez.

Ennek a hordozófehérjék rendszernek több neve is van: légzési lánc, elektrontranszport lánc, elektrontranszport lánc, redox lánc (redox lánc). Néhány ilyen név pontosabban tükrözi a lánc részvételével előforduló folyamatok lényegét, de leggyakrabban egyszerűbb nevet használnak - a légzési láncot.
A légzőlánc fehérjéinek aránya jelentős, és a mitokondriumok belső membránjának teljes fehérjéjének 30-40%-át teszi ki.
A légzőlánc a következőket tartalmazza:

• 1) piridin-dehidrogenáz lerakódások (NAD+-t tartalmaznak);
• 2) flavin-dehidrogenáz lerakódások (FAD- és FMN-tartalmú);
• 3) citokrómok (c, c, c1, aa3);
• 4) fehérjék lízise;
• 5) szabad koenzim - ubikinon.

Ez az összetevők sorrendje nem véletlenszerű, hanem redoxpotenciáljuk (Eo) értéke határozza meg. Ez az állandó mennyiségileg jellemzi egy redox-pár azon képességét, hogy egy bizonyos vegyület oxidált és redukált formái mennyire képesek elektront visszaadni. Minél alacsonyabb egy pár ORP-jének (negatív) értéke, annál nagyobb a képessége, hogy elektronokat adjon, azaz oxidáljon. Ezzel szemben a magasabb (pozitív) Eo-val rendelkező pár elektronokat fogad és redukálódik. Így az elektronok az egyik OB párból a másikba a pozitívabb Eo irányában mozognak. Ezt az elektronátadást a szabadenergia csökkenése kíséri.
Az elektrontranszport lánc minden résztvevője szerkezetileg négy redox rendszerbe - I - IV multienzim komplexekbe egyesül.

Az oxidációs folyamat a protonok és elektronok átvitelével kezdődik az oxidálandó szubsztrátról NAD+-ra vagy FAD-ra. Ez az aljzat természetétől függ. A komplexek mindegyike képes egy bizonyos részt katalizálni teljes sorozat láncreakciók.
Ezek a komplexek a mitokondriumok belső membránjának részét képezik.

Complex I - NADH dehidrogenáz - flavoproteint tartalmazó FMN. Ez az enzim oxidálja a NADH-t, és két hidrogénatomot (2H + 2e-) ad át a Q koenzimnek. A komplex FeS fehérjéket is tartalmaz. Komplex II - szukcinát-dehidrogenáz - FAD-ot tartalmazó flavoproteinek. Ez az enzim oxidálja a szukcinátot, és két hidrogénatomot (2H + 2e-) szállít a Q koenzimhez. A komplex FeS fehérjéket tartalmaz.
A mitokondriális mátrix egyéb FAD-függő dehidrogenázokat is tartalmaz, amelyek oxidálják a megfelelő szubsztrátokat (glicerin-3-foszfát, acil-CoA), majd hidrogénatomokat adnak át a Q koenzimnek.

A hidrogénatomok fluxusai a redukált CoQH2 képződésének szakaszában egyesülnek.
A Q koenzim a lánc utolsó komponense, amely nem csak protonokat, hanem elektronokat is képes szállítani (2H + 2e-). Továbbá a protonok (2H +) a mitokondriális membrán belső felületéről a külső felületre, az elektronok (2e-) pedig a citokróm láncon keresztül oxigénbe kerülnek.

A III-as komplex – ubikinon-dehidrogenáz – egy enzimkomplex, amely citokróm b-t, FeS-proteint és citokróm c1-et tartalmaz. Ez a komplex szállítja a 2e- elektronokat a redukált KoQH2 ubikinonból a citokróm c-be (egy kis, vízben oldódó fehérje, amely a belső membrán külső oldalán található).

IV. komplex – citokróm c oxidáz – a és a3 citokrómokból álló enzimkomplex. Ezek az enzimek hajtják végre a biológiai oxidáció utolsó szakaszát - a molekuláris oxigén elektronokkal történő redukcióját (2e-).
A redukált oxigén О2- reagál a mátrix szabad protonjaival (2Н +). A reakció eredményeként endogén, vagy metabolikus víz képződik.

A protonok és elektronok átvitelének irányát a redoxpotenciálok határozzák meg. A spontán transzfer biztosításához a redox sorozat összetevőit a potenciálértékek növekedése szerint kell elrendezni.
A NAD + / NADH pár redoxpotenciálja \u003d - 0,32 V, ami azt jelzi, hogy nagy az elektronok adományozási képessége. Az oxigén/víz pár redoxpotenciálja = + 0,82 V, ami nagy elektronaffinitást jelez.

A redoxpotenciálok teljes különbsége 1,14 V. Ez a DG = -220 kJ/mol szabadenergia változásának felel meg. Ez a teljes reakcióenergia-mennyiség kisebb és kényelmesebb "csomagokba" oszlik, amelyek értékét a megfelelő intermedierek redoxpotenciáljának különbsége határozza meg.

Amikor egy elektronpár áthalad a légzési láncon, energia szabadul fel, melynek nagy része (60%) hő formájában disszipálódik, a többi pedig az ATP makroerg kötéseiben halmozódik fel, azaz a szintézisben felszívódik. ATP-oxidatív foszforiláció reakciója.
Ezt a foszforilációt oxidatívnak nevezik, mivel a makroerg kötés kialakulásához szükséges energia az oxidáció, vagyis a protonok és elektronok mozgása során keletkezik a mitokondriális elektrontranszport lánc mentén.

Az első ilyen hely a NAD®FMN, a második a citokróm b®citokróm c1, a harmadik pedig a citokróm Aa3® kisen. Ezeket a helyeket foszforilációs pontoknak nevezzük. A „foszforilációs pont” vagy „foszforilációs hely” kifejezést nem szabad olyan specifikus szakaszként értelmezni, amelyben az ATP képződése közvetlenül megtörténik. A lényeg az, hogy az elektronok áramlása ezen a három láncrészen valamilyen módon összefügg az ATP képződésével (az OOP különbség itt elegendő 1 ATP molekula szintéziséhez).

A FAD-függő dehidrogenázok (például szukcinát-szukcinát-dehidrogenáz) szubsztrátjainak oxidációja során az elektronáramlás a FADH2-től az oxigén felé nem halad át az első foszforilációs helyen. Ezekben az esetekben kevesebb, mint 1 molekula ATP szintetizálódik, kettő van. A különböző szubsztrátok oxidációja során és különböző körülmények között elért ATP-hozamot a P / O arány fejezi ki, amely megfelel az ATP-ben lévő szervetlen foszfát molekulák számának egy elfogyasztott (elnyelt) oxigén atomjára vonatkoztatva. Ezt az arányt foszforilációs együtthatónak is nevezik. Így a P / O arány az elektronpár NADH-ról oxigénre történő átvitele során 3, és FADH2-ről oxigénre - 2. A szöveti légzés gátlóinak hatására a P / O arány csökken.