Systém štruktúrne a funkčne príbuzných transmembránových proteínov a nosičov elektrónov. Umožňuje vám uchovávať energiu uvoľnenú počas oxidácie NAD*H a FADH2 molekulárnym kyslíkom vo forme transmembránového protónového potenciálu v dôsledku postupného prenosu elektrónu pozdĺž reťazca spojeného s čerpaním protónov cez membránu. Transportný reťazec v eukaryotoch je lokalizovaný na vnútornej membráne mitochondrií. V dýchacom reťazci sú 4 multienzýmové komplexy. Existuje aj ďalší komplex, ktorý sa podieľa nie na prenose elektrónov, ale na syntéze ATP.
1. - CoA oxidoreduktáza.
1. Prijíma elektróny z NADH a prenáša ich na koenzým Q (ubichinón). 2. Prenáša 4 ióny H+ na vonkajší povrch vnútornej mitochondriálnej membrány.
2nd-FAD-dependentné dehydrogenázy.
1. Získanie FAD 3-cytochróm c-oxidoreduktázy.
2. Prijíma elektróny z koenzýmu Q a prenáša ich do cytochrómu c.
3. Prenáša 2 ióny H+ na vonkajší povrch vnútornej mitochondriálnej membrány.
4.-cytochróm c-kyslíková oxidoreduktáza.
1. Prijíma elektróny z cytochrómu c a odovzdáva ich kyslíku za vzniku vody.
2. Prenáša 4 ióny H+ na vonkajší povrch vnútornej mitochondriálnej membrány. Všetky atómy vodíka odštiepené zo substrátov dehydrogenázami za aeróbnych podmienok sa dostávajú do vnútornej mitochondriálnej membrány ako súčasť NADH alebo FADH2.
Elektróny pri pohybe strácajú energiu -> energiu vynakladajú komplexy na čerpanie protónov H. Prenos iónov H prebieha v presne definovaných oblastiach -> oblasti konjugácie Výsledok: Dochádza k produkcii ATP: Ióny H + strácajú energiu prechodom cez ATP syntázu Časť Táto energia sa používa na syntézu ATP. Zvyšok sa rozptýli ako teplo.
Dýchací reťazec mitochondrií pozostáva z 5 multienzýmových komplexov, ktorých podjednotky sú kódované jadrovými aj mitochondriálnymi génmi. Prenos elektrónov zahŕňa koenzým Q10 a cytochróm c. Elektróny pochádzajú z molekúl NAD *H a FAD "H a sú transportované pozdĺž dýchacieho reťazca. Uvoľnená energia sa využíva na transport protónov k vonkajšej mitochondriálnej membráne a výsledný elektrochemický gradient sa používa na syntézu ATP pomocou komplexu V mitochondriálneho dýchacieho systému reťaz
44. Poradie a štruktúra nosičov elektrónov v dýchacom reťazci
1 komplex. NADH-CoQ oxidoreduktáza
Tento komplex má aj pracovný názov NADH-dehydrogenáza, obsahuje FMN (flavínmononukleotid), 22 proteínových molekúl, z toho 5 železo-sírových proteínov s celkovou molekulovou hmotnosťou do 900 kDa.
Prijíma elektróny z NADH a prenáša ich na koenzým Q (ubichinón).
Prenáša 4 ióny H+ na vonkajší povrch vnútornej mitochondriálnej membrány.
2 komplex. FAD-dependentné dehydrogenázy
Zahŕňa FAD-dependentné enzýmy umiestnené na vnútornej membráne – napríklad acyl-SCoA dehydrogenázu (oxidácia mastné kyseliny), sukcinátdehydrogenáza (cyklus trikarboxylových kyselín), mitochondriálna glycerol-3-fosfátdehydrogenáza (shuttle mechanizmus na prenos NADH do mitochondrií).
Obnova FAD v redoxných reakciách.
Zabezpečenie prenosu elektrónov z FADH2 do železo-sírových proteínov vnútornej membrány mitochondrií. Tieto elektróny potom prechádzajú na koenzým Q.
46. Biochemické mechanizmy odpájania oxidačných a fosforylačných faktorov, ktoré ich spôsobujú Odpojenie dýchania a fosforylácie
Niektoré chemikálie (protonofóry) môžu transportovať protóny alebo iné ióny (ionofóry) z medzimembránového priestoru cez membránu do matrice, pričom obchádzajú protónové kanály ATP syntázy. Výsledkom je, že elektrochemický potenciál zmizne a syntéza ATP sa zastaví. Tento jav sa nazýva rozpojenie dýchania a fosforylácie. V dôsledku odpojenia sa množstvo ATP znižuje a ADP sa zvyšuje. V tomto prípade sa zvyšuje rýchlosť oxidácie NADH a FADH2 a zvyšuje sa aj množstvo absorbovaného kyslíka, ale energia sa uvoľňuje vo forme tepla a pomer P/O prudko klesá. Odpojovače sú spravidla lipofilné látky, ktoré ľahko prechádzajú cez lipidovú vrstvu membrány. Jednou z týchto látok je 2,4-dinitrofenol (obr. 6-17), ktorý sa ľahko mení z ionizovanej formy na neionizovanú prichytením protónu v medzimembránovom priestore a jeho prenosom do matrice.
Príkladmi odpojovačov môžu byť aj niektoré lieky, ako je dikumarol – antikoagulant (pozri časť 14) alebo metabolity, ktoré sa tvoria v tele, bilirubín – produkt katabolizmu (pozri časť 13), tyroxín – hormón štítnej žľazy (pozri časť 11 ). Všetky tieto látky vykazujú odpájací účinok len pri vysokých koncentráciách.
Vypnutie fosforylácie po vyčerpaní ADP alebo anorganického fosfátu je sprevádzané inhibíciou dýchania (účinok kontroly dýchania). Veľké číslo poškodenie mitochondriálnej membrány narúša spojenie medzi oxidáciou a fosforyláciou, čo umožňuje prenos elektrónov aj pri absencii syntézy ATP (účinok odpojenia)
1. Celkový výstup:
Na syntézu 1 molekuly ATP sú potrebné 3 protóny.
2. Inhibítory oxidatívnej fosforylácie:
Inhibítory blokujú V komplex:
Oligomycín - blokuje protónové kanály ATP syntázy.
Atraktylozid, cyklofylín - blokové translokázy.
3. Odpojovače oxidačnej fosforylácie:
Uncouplers sú lipofilné látky, ktoré sú schopné prijímať protóny a transportovať ich cez vnútornú membránu mitochondrií, pričom obchádzajú V komplex (jeho protónový kanál). Odpojovače:
Prírodné - produkty peroxidácie lipidov, mastné kyseliny s dlhým reťazcom; veľké dávky hormónov štítnej žľazy.
Umelé - dinitrofenol, éter, deriváty vitamínu K, anestetiká.
Komplexy dýchacieho reťazca
- Komplex III (komplex cytochrómu bc1) prenáša elektróny z ubichinónu do dvoch vo vode rozpustných cytochrómov c umiestnených na vnútornej membráne mitochondrií. Ubichinón prenáša 2 elektróny a cytochrómy prenášajú jeden elektrón za cyklus. Zároveň tam prechádzajú aj 2 protóny ubichinónu, ktoré sú čerpané komplexom.
NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.
FeS - železo-sírové centrá.
VIDIEŤ VIAC:
. Respiračný reťazec transportu elektrónov
Respiračný elektrónový transportný reťazec (ETC, ETC) je systém štruktúrne a funkčne príbuzných transmembránových proteínov a nosičov elektrónov. ETC umožňuje uchovávať energiu uvoľnenú pri oxidácii NADH a FADH2 molekulárnym kyslíkom (v prípade aeróbneho dýchania) alebo inými látkami (v prípade anaeróbneho dýchania) vo forme transmembránového protónového potenciálu vďaka postupnému prenosu elektrónu pozdĺž reťazca spojeného s čerpaním protónov cez membránu. zložky dýchacieho reťazca. Dýchací reťazec zahŕňa tri proteínové komplexy (komplexy I, III a IV) zabudované do vnútornej mitochondriálnej membrány a dve mobilné nosné molekuly – ubichinón (koenzým Q) a cytochróm c. Za komplex II dýchacieho reťazca možno považovať aj sukcinátdehydrogenázu, ktorá patrí do samotného citrátového cyklu. ATP syntáza sa niekedy označuje ako komplex V, hoci sa nezúčastňuje prenosu elektrónov. Komplexy dýchacieho reťazca sú vytvorené z mnohých polypeptidov a obsahujú množstvo rôznych redoxných koenzýmov spojených s proteínmi. Patria sem flavín [FMN (FMN) alebo FAD (FAD), v komplexoch I a II], centrá železa a síry (v I, II a III) a hemové skupiny (v II, III a IV). Podrobná štruktúra väčšiny komplexov ešte nebola stanovená. Elektróny vstupujú do dýchacieho reťazca rôznymi spôsobmi. Počas oxidácie NADH + H+ komplex I prenáša elektróny cez centrá FMN a Fe/S na ubichinón. Elektróny generované počas oxidácie sukcinátu, acyl-CoA a iných substrátov sa prenášajú na ubichinón komplexom II alebo inou mitochondriálnou dehydrogenázou prostredníctvom enzýmovo viazaného FADH2 alebo flavoproteínu (pozri obr.
Elektrónový transportný reťazec (tspe).
s. 166), zatiaľ čo oxidovaná forma koenzýmu Q sa redukuje na aromatický ubihydrochinón. Ten prenáša elektróny do komplexu III, ktorý ich prenáša cez dva hem b, jedno centrum Fe/S a hem c1 do malého proteínu cytochrómu c obsahujúceho hem. Ten prenáša elektróny na komplex IV, cytochróm c oxidázu. Cytochróm c oxidáza obsahuje dve centrá obsahujúce meď (CuA a CuB) a hemy a a a3 pre redoxné reakcie, cez ktoré sa elektróny nakoniec dostávajú do kyslíka. Pri redukcii O2 vzniká silný zásaditý anión O2-, ktorý viaže dva protóny a prechádza do vody. Tok elektrónov je spojený s protónovým gradientom tvoreným komplexmi I, III a IV. Organizácia dýchacieho reťazca. Prenos protónov komplexmi I, III a IV prebieha vektorovo z matrice do medzimembránového priestoru. Pri prenose elektrónov v dýchacom reťazci sa zvyšuje koncentrácia iónov H +, t.j. hodnota pH klesá. V intaktných mitochondriách v podstate iba ATP syntáza umožňuje spätný pohyb protónov do matrice. To je základ pre regulačne dôležitú konjugáciu prenosu elektrónov s tvorbou ATP. Ubichinón sa vďaka nepolárnemu bočnému reťazcu voľne pohybuje v membráne. Vo vode rozpustný cytochróm c sa nachádza na vonkajšej strane vnútornej membrány. K oxidácii NADH (NADH) komplexom I dochádza na vnútornej strane membrány, ako aj v matrici, kde dochádza aj k citrátovému cyklu a β-oxidácii - najv. dôležité zdroje NADH. Okrem toho v matrici prebieha redukcia O2 a tvorba ATP (ATP). Vzniknutý ATP je prenesený antiportovým mechanizmom (proti ADP) do medzimembránového priestoru (pozri str. 214), odkiaľ cez poríny preniká do cytoplazmy
Komplexy dýchacieho reťazca
- Komplex I (NADH dehydrogenáza) oxiduje NADH, pričom z neho odoberá dva elektróny a prenáša ich na ubichinón rozpustný v tukoch, ktorý difunduje vnútri membrány do komplexu III. Súčasne komplex I pumpuje 2 protóny a 2 elektróny z matrice do medzimembránového priestoru mitochondrií.
- Komplex II (sukcinátdehydrogenáza) nečerpá protóny, ale poskytuje vstup do reťazca ďalších elektrónov v dôsledku oxidácie sukcinátu.
- Komplex III (komplex cytochrómu bc1) prenáša elektróny z ubichinónu do dvoch vo vode rozpustných cytochrómov c umiestnených na vnútornej membráne mitochondrií. Ubichinón prenáša 2 elektróny a cytochrómy prenášajú jeden elektrón za cyklus.
Mitochondriálny transportný reťazec elektrónov
Zároveň tam prechádzajú aj 2 protóny ubichinónu, ktoré sú čerpané komplexom.
- Komplex IV (cytochróm c oxidáza) katalyzuje prenos 4 elektrónov zo 4 molekúl cytochrómu na O2 a pumpuje 4 protóny do medzimembránového priestoru. Komplex tvoria cytochrómy a a a3, ktoré okrem hemu obsahujú ióny medi.
Kyslík vstupujúci do mitochondrií z krvi sa viaže na atóm železa v heme cytochrómu a3 vo forme molekuly O2. Každý z atómov kyslíka pripojí dva elektróny a dva protóny a zmení sa na molekulu vody.
Substrát vytvorený v Krebsovom cykle podlieha dehydrogenácii (odštiepeniu vodíka), v dôsledku čoho sa uvoľňuje energia, ktorá vedie k tvorbe ATP a elektróny a protóny vznikajúce pri tomto procese sa spájajú s kyslíkom a vytvárajú vodu. K redukcii molekuly O2 dochádza v dôsledku prenosu 4 elektrónov. Pri každom pridaní 2 elektrónov ku kyslíku, ktoré k nemu prichádzajú cez reťazec nosičov, sa z matrice absorbujú 2 protóny, čo vedie k vytvoreniu molekuly H2O.
Elektróny sa prenášajú pozdĺž reťazca nosičov, ktoré sa nachádzajú v samotnej membráne. Nosiče, ktoré prijímajú elektróny, sú oxidované a odovzdávaním ďalšiemu nosiču sú obnovené. Na konci CPE sa elektróny prenesú na kyslík.
Protóny sú vytlačené z mitochondriálnej membrány.
K posunu protónov dochádza v dôsledku energie pohybu elektrónov vo vnútri membrány.
Protóny sa nemôžu spontánne vrátiť späť do membrány, preto sa na jej vonkajšej strane hromadí kladný náboj.
Protóny na konci CPE opäť prechádzajú dovnútra cez špeciálny proteín – ATP syntetázu (faktor 5) a podieľajú sa na tvorbe vody. Keď protón prechádza cez ATP syntetázu, uvoľňuje sa energia, ktorá ide na syntézu ATP.
V dôsledku OVR reakcií nosičov vzniká ATP z ADP a anorganického fosfátu.
Dôležité: Bez prítomnosti ADP nedochádza k oxidácii!
Substráty NAD- a NADP-dependentných dehydrogenáz sa nachádzajú v mitochondriálnej matrici a v cytosóle.
Hlavné nosiče elektrónov sú zabudované do vnútornej membrány mitochondrií a sú organizované do 4 komplexov usporiadaných v určitej sekvencii (vektore). V tejto sekvencii sa ich štandardné redoxné potenciály stávajú pozitívnejšími, keď sa približujú ku kyslíku.
1. Substrát je najprv oxidovaný dehydrogenázou - NAD +, v dôsledku toho koenzým NAD + prijíma protón a prechádza na NADH.
Väčšina dehydrogenáz dodávajúcich elektróny do CPE obsahuje NAD+. Katalyzujú reakcie ako:
R-CHOH-R1 + NAD+ ↔ R-CO-R1 + NADH + H+.
NADPH nie je priamym donorom elektrónov v CPE, ale používa sa takmer
výlučne v redukčných biosyntézach. Inkorporácia elektrónov z NADPH do CPE je však možná vďaka pôsobeniu pyridínnukleotidtranshydrogenázy, ktorá katalyzuje reakciu:
NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.
Flavíndehydrogenázy obsahujú FAD alebo FMN ako koenzýmy.
FAD slúži ako akceptor elektrónov z mnohých substrátov v reakciách, ako sú:
R-CH2-CH2-R1 + E (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + E (FADH2),
kde E je proteínová časť enzýmu.
Väčšina dehydrogenáz závislých od FAD sú rozpustné proteíny lokalizované v mitochondriálnej matrici. Výnimkou je sukcinátdehydrogenáza, ktorá sa nachádza vo vnútornej membráne mitochondrií.
Alebo je substrát oxidovaný dehydrogenázou-FAD+, čo spôsobí, že koenzým FAD prijme protón a stane sa FADH2.
Ak je sukcinát (kyselina jantárová) oxidovaný, potom prebieha oxidácia sukcinátdehydrogenázou okamžite cez FAD+.
FAD daruje elektróny koenzýmu Q (ubichinón) prostredníctvom FES.
Dôležité: ubichinón nie je proteín. Všetky ostatné nosiče sú bielkoviny!
FeS - železo-sírové centrá.
Predchádzajúci12345678910111213Ďalší
VIDIEŤ VIAC:
Vo všeobecnosti je práca dýchacieho reťazca nasledovná:
Respiračný reťazec transportu elektrónov
NADH a FADH2 vytvorené v katabolických reakciách prenášajú atómy vodíka (t. j. vodíkové protóny a elektróny) do enzýmov dýchacieho reťazca.
2. Elektróny sa pohybujú cez enzýmy dýchacieho reťazca a strácajú energiu.
3. Táto energia sa využíva na pumpovanie protónov H+ z matrice do medzimembránového priestoru.
4. Na konci dýchacieho reťazca narážajú elektróny na kyslík a redukujú ho na vodu.
5. H+ protóny majú tendenciu späť do matrice a prechádzajú cez ATP syntázu.
6. Zároveň strácajú energiu, ktorá sa využíva na syntézu ATP.
Všeobecný princíp oxidatívnej fosforylácie
Rekonštituované formy NAD a FAD sú oxidované enzýmy dýchacieho reťazca, vďaka tomu sa k ADP pridáva fosfát, t.j. fosforylácia. Preto je celý proces tzv Oxidačná fosforylácia.
dýchacieho reťazca
Celkom elektrónový transportný reťazec zahŕňa asi 40 rôznych proteínov, ktoré sú organizované do 4 veľkých membránovo viazaných multienzýmových komplexov. Existuje aj ďalší komplex, ktorý sa podieľa nie na prenose elektrónov, ale na syntéze ATP.
Bloková schéma dýchacieho reťazca
Nosiče elektrónov
1. Cytochrómy c1, c, a, a3 (protetická skupina - hem) sa nachádzajú v rôznych častiach dýchacieho reťazca, cytochróm c je mobilný vo vode rozpustný proteín, ktorý sa pohybuje po vonkajšej strane membrány medzi 3. a 4. komplexom . Cytochrómy aa3 obsahujú hem A. Namiesto metylových (-CH3) a vinylových (-CH=CH2) skupín obsahuje formylovú (-CH) skupinu a uhľovodíkový reťazec. Druhým znakom je prítomnosť iónov medi v špeciálnych proteínových centrách.
Cu+<->Сu2+ + e a Fe2+<->Fe3+ + e
2. Železo-sírové proteíny (FeS) - nehemové proteíny, ktoré fungujú v spojení s flavínovými enzýmami (1, 2, 3 komplexy) 
3. FMN (komplex 1): FMN + NADH + H+ ———FMNH2 + NAD+
(NAD+ + 2e + 2H+ ————- NADH + H+)
KoQ (ubichinón) - neproteínový nosič, komplex 3.
Dlhý hydrofóbny „chvost“ izoprénu zabezpečuje mobilitu ubichinónu v lipidovej dvojvrstve.
KoQ a cytochróm c sú mobilné, všetko ostatné sú integrálne proteíny.
Štruktúra enzymatických komplexov dýchacieho reťazca
Komplexné. NADH-CoQ reduktáza
Tento komplex má aj pracovný názov NADH dehydrogenáza, obsahuje 1FMN, 6 železo-sírových proteínov.
1. NADH + H+ + FMN ———2e + 2H+——— NAD+ + FMNH2
2. FMNH2 ————2e——— Fex Sx (Fe2+<->Fe3+ + e)
3. Fex Sx ————2e———KoQ
Funkcia
1. Prijíma elektróny z NADH a prenáša ich do koenzým Q(ubichinón).
2. Prenáša 4H+ na vonkajší povrch vnútornej mitochondriálnej membrány.
14.1.1. V reakcii pyruvátdehydrogenázy a v Krebsovom cykle dochádza k dehydrogenácii (oxidácii) substrátov (pyruvát, izocitrát, α-ketoglutarát, sukcinát, malát). V dôsledku týchto reakcií vznikajú NADH a FADH2. Tieto redukované formy koenzýmov sa oxidujú v mitochondriálnom dýchacom reťazci. Oxidácia NADH a FADH2 prebiehajúca v spojení so syntézou ATP z ADP a H3PO4 sa nazýva tzv. Oxidačná fosforylácia.
Štruktúra mitochondrií je znázornená na obrázku 14.1. Mitochondrie sú intracelulárne organely s dvoma membránami: vonkajšou (1) a vnútornou (2). Vnútorná mitochondriálna membrána tvorí početné záhyby – cristae (3). Priestor ohraničený vnútornou mitochondriálnou membránou sa nazýva matrica (4), priestor ohraničený vonkajšou a vnútornou membránou sa nazýva medzimembránový priestor (5).
Obrázok 14.1. Schéma štruktúry mitochondrií.
14.1.2. dýchacieho reťazca- sekvenčný reťazec enzýmov, ktorý prenáša vodíkové ióny a elektróny z oxidovaných substrátov na molekulárny kyslík - konečný akceptor vodíka. Počas týchto reakcií dochádza k uvoľňovaniu energie postupne, v malých častiach a môže sa akumulovať vo forme ATP. Lokalizácia enzýmov dýchacieho reťazca je vnútorná mitochondriálna membrána.
Dýchací reťazec zahŕňa štyri multienzýmové komplexy (obrázok 14.2).
Obrázok 14.2. Enzýmové komplexy dýchacieho reťazca (uvedené sú miesta konjugácie oxidácie a fosforylácie):
I. NADH-KoQ reduktáza(obsahuje intermediárne akceptory vodíka: flavínmononukleotid a železo-sírové proteíny). II. Sukcinát-KoQ-reduktáza(obsahuje intermediárne akceptory vodíka: FAD a železo-sírové proteíny). III. KoQH 2-cytochróm c-reduktáza(obsahuje akceptory elektrónov: cytochrómy b a c1, železo-sírové proteíny). IV. Cytochróm c oxidáza(obsahuje akceptory elektrónov: cytochrómy a a a3, ióny medi Cu2+).14.1.3. Ubichinón (koenzým Q) a cytochróm c pôsobia ako intermediárne nosiče elektrónov.
Ubichinón (KoQ)- v tuku rozpustná látka podobná vitamínu, ktorá môže ľahko difundovať v hydrofóbnej fáze vnútornej membrány mitochondrií. Biologickou úlohou koenzýmu Q je prenos elektrónov v dýchacom reťazci z flavoproteínov (komplexy I a II) do cytochrómov (komplex III).
Cytochróm c- komplexný proteín, chromoproteín, ktorého prostetická skupina - hem - obsahuje železo s premenlivou mocnosťou (Fe3+ v oxidovanej forme a Fe2+ v redukovanej forme). Cytochróm c je vo vode rozpustná zlúčenina nachádzajúca sa na periférii vnútornej mitochondriálnej membrány v hydrofilnej fáze. Biologickou úlohou cytochrómu c je prenos elektrónov v dýchacom reťazci z komplexu III do komplexu IV.14.1.4. Medziľahlé nosiče elektrónov v dýchacom reťazci sú usporiadané podľa ich redoxných potenciálov. V tejto sekvencii klesá schopnosť darovať elektróny (oxidovať) a zvyšuje sa schopnosť získavať elektróny (obnoviť sa). NADH má najväčšiu schopnosť darovať elektróny a molekulárny kyslík má najväčšiu schopnosť pripájať elektróny.
Na obrázku 14.3 je znázornená štruktúra reaktívneho miesta niektorých medzinosičov protónov a elektrónov v oxidovanej a redukovanej forme a ich vzájomná premena.
Obrázok 14.3. Interkonverzie oxidovaných a redukovaných foriem intermediárnych nosičov elektrónov a protónov.
14.1.5. Opisuje mechanizmus syntézy ATP chemiosmotická teória(autor - P. Mitchell). Podľa tejto teórie môžu zložky dýchacieho reťazca umiestnené vo vnútornej mitochondriálnej membráne počas prenosu elektrónov „zachytiť“ protóny z mitochondriálnej matrice a preniesť ich do medzimembránového priestoru. V tomto prípade vonkajší povrch vnútornej membrány získava kladný náboj, zatiaľ čo vnútorný záporný, t.j. vzniká gradient koncentrácie protónov s kyslejším pH vonku. Takto vzniká transmembránový potenciál (ΔµН+ ). Existujú tri časti dýchacieho reťazca, kde sa tvorí. Tieto úseky zodpovedajú I, III a IV komplexom elektrónového transportného reťazca (obrázok 14.4).
Obrázok 14.4. Umiestnenie enzýmov dýchacieho reťazca a ATP syntetázy vo vnútornej membráne mitochondrií.
Protóny uvoľnené do medzimembránového priestoru v dôsledku energie prenosu elektrónov opäť prechádzajú do mitochondriálnej matrice. Tento proces uskutočňuje enzým H+-dependentná ATP syntetáza (H+-ATPáza). Enzým sa skladá z dvoch častí (pozri obrázok 10.4): vo vode rozpustnej katalytickej časti (F1) a protónového kanála ponoreného v membráne (F0). Prechod H+ iónov z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou je sprevádzaný uvoľnením voľnej energie, vďaka čomu sa syntetizuje ATP.
14.1.6. Energia nahromadená vo forme ATP sa v tele využíva na zabezpečenie rôznych biochemických a fyziologických procesov. Pamätajte na hlavné príklady využitia energie ATP:
1) syntéza komplexu chemických látok od jednoduchších (anabolické reakcie); 2) svalová kontrakcia (mechanická práca); 3) tvorba transmembránových biopotenciálov; 4) aktívny transport látok cez biologické membrány.Biologická oxidácia je súbor reakcií oxidácie substrátu v živých bunkách, ktorých hlavnou funkciou je zásobovanie energiou metabolizmus.
Hlavné funkcie oxidačných procesov:
1) zásobník energie v recyklovateľnej forme,
2) rozptyl energie vo forme tepla,
3) tvorba užitočných zlúčenín,
4) štiepenie škodlivých látok.
Rozdiely medzi biologickou oxidáciou a spaľovaním
Biologická oxidácia nie je jednokroková exotermická reakcia, ale reťazec reakcií, počas ktorých sa energia uvoľňuje, rozptyľuje ako teplo a ukladá sa do ATP.
Biologická oxidácia je enzymatický proces.
Biologická oxidácia prebieha pri nízkej teplote a v prítomnosti vody.
Pri horení organickej hmoty k uvoľňovaniu energie dochádza v dôsledku oxidácie uhlíka na oxid uhličitý a pri biologickej oxidácii v dôsledku oxidácie vodíka redukcia kyslíka na vodu.
História vývoja doktríny biologickej oxidácie.
Oxidázová teória A. N. Bacha
Cesta vzdušného kyslíka k substrátu vedie cez peroxid.
Aktivácia molekulárneho kyslíka:
a) oxygenáza + O 2 oxygenáza + peroxid
b) oxygenáza + substrát oxygenáza + oxidovaný substrát.
Teória V. I. Palladina
Oxidácia v živom organizme prebieha dehydrogenáciou.
Akceptorom vodíka môže byť nielen kyslík, ale aj iná látka.
Esencia oxidácie
Chemické reakcie, pri ktorých sa elektrón prenáša z jednej molekuly do druhej, sa nazývajú redoxné reakcie.
Zlúčeniny, ktoré darujú elektrón, donory elektrónov alebo redukčné činidlá.
Zlúčeniny, ktoré prijímajú elektrón
akceptory elektrónov alebo oxidačné činidlá.
Oxidačné a redukčné činidlá fungujú ako konjugované redoxné páry (redoxné páry).
Fe + ē Fe
oxidačné činidlo, redukčné činidlo,
akceptorový darca
Každý redoxný pár je charakterizovaný štandardným potenciálom (vo voltoch)
Redoxný potenciál
Redoxný potenciál udáva smer prenosu elektrónov.
Pri porovnaní redoxného potenciálu systému s normálnou vodíkovou elektródou, ktorej potenciál je nula, sa získajú hodnoty, ktoré odrážajú redoxné schopnosti látky.
tkanivové dýchanie- druh biologickej oxidácie, pri ktorej je kyslík akceptorom elektrónov
Substráty tkanivového dýchania:
aminokyseliny,
α-glycerofosfát,
mastné kyseliny.
Krebsov cyklus kyseliny (izocitrát, a-ketoglutarát, sukcinát, malát),
Tkanivové dýchanie sa uskutočňuje pomocou enzýmov dýchacieho reťazca.
Schéma premeny energie v živých bunkách: tkanivové dýchanie, tvorba ATP a spôsoby jeho využitia.
S 
Štruktúra ATP
Metódy syntézy ATP
Dýchací reťazec je sekvencia oxidoreduktáz vo vnútornej membráne mitochondrií, ktoré zabezpečujú prenos elektrónov a protónov zo substrátu na molekulárny kyslík.
Mitochondrie
Prenos elektrónov a protónov za účasti medzinosičov.
SH2 - počiatočný donor protónov a elektrónov;
P1, P2, P3, P4 - medziľahlé nosiče;
E1, E2, E3, E4 - enzýmy redoxných reakcií
Dýchací reťazec je hlavným dodávateľom energie pre syntézu makroergických väzieb molekúl ATP v procese oxidatívnej fosforylácie.
Udržiavanie tepelnej rovnováhy v tele. 57% energie sa uvoľní ako teplo.
Komponenty dýchacieho reťazca
Vodík vstupuje do dýchacieho reťazca vo forme NADH2, pretože väčšina dehydrogenáz vo vnútri mitochondrií je závislá od NAD a tiež pri pôsobení na substrát flavíndehydrogenázu (koenzým FAD).
NAD-dependentné dehydrogenázy
prijímať elektróny a protóny priamo zo substrátu:
S -HH + NAD + S + NADH + H +
kolektorová funkcia NAD zbiera elektróny a protóny zo substrátu.
Väčšina dehydrogenáz má NAD, ale môže mať aj NADP (G-6-PD).
Niektoré dehydrogenázy závislé od pyridínu sú lokalizované v mitochondriách a niektoré sú v cytoplazme.
Cytosolické a mitochondriálne zásoby NAD a NADP sú od seba oddelené mitochondriálnou membránou, ktorá je pre tieto koenzýmy nepriepustná.
Shuttle mechanizmy prenášajú redukované nukleotidy (NADH + H) z cytoplazmy do mitochondrií /
V cytoplazme sa oxalacetát redukuje na malát, ktorý preniká do mitochondrií.
V mitochondriách sa pôsobením mitochondriálneho MDH malát premieňa na PAA a NADH + H prenáša elektróny a protóny do dýchacieho reťazca.
Redoxný systém dýchacieho reťazca
D 
dýchací reťazec zahŕňa 4 enzýmové komplexy, ktoré katalyzujú oxidáciu NADH+H kyslíkom.
NADH-KoQ reduktáza katalyzuje prenos elektrónov z NADH do KoQ.
NADH dehydrogenáza,
nehemové FeS klastre,
NADH dehydrogenáza
flavoproteín,
nachádza sa vo vnútornej membráne mitochondrií.
Koenzýmom je FMN, ktorý prijíma elektróny z NADH+H.
FMN + NADH + H FMNN 2 + NAD
V proteínoch FeS je železo viazané na zvyšok síry.
Sukcinát-KoQ reduktáza katalyzuje prenos elektrónov z sukcinátu na KoQ
Tento komplex zahŕňa:
nehemové Fe,
SDH je flavoproteín
pevne viazané na vnútornú membránu mitochondrií.
Koenzým je FAD.
KoQ (ubichinón)
Zdrojom ubichinónu sú vitamíny K a E.
KoQ sa nachádza v dýchacom reťazci medzi flavínovými enzýmami a cytochrómami.
KoQ + FMNN 2 KoQН 2 + FMN
Ubichinón je zberateľský, keďže zbiera redukovaný
ekvivalenty nielen od NADH-DG, ale aj od SDH
a ďalšie komponenty.
KoQH2 - cytochróm C reduktáza katalyzuje prenos elektrónov z KoQH2 do cytochrómu
Komplex zahŕňa:
cytochróm b,
cytochróm C1,
nehemové Fe,
Cytochrómy sú komplexné bielkoviny obsahujúce železo, ktoré sú sfarbené do červena.
Koenzým je podobný hemu, ale železo v cytochrómoch mení valenciu.
Prvýkrát opísaný McMunnom, študoval Kaylin.
Cytochrómy nesú elektróny.
Je známych 25-30 rôznych cytochrómov, ktoré sa líšia:
redoxný potenciál,
absorpčné spektrum,
molekulovej hmotnosti
rozpustnosť vo vode.
P 
hemovej rastovej skupiny v štruktúre cytochrómov.
Väzba hemu na proteínovú časť cytochrómu C
Cytochrómoxidáza katalyzuje prenos elektrónov z cytochrómu C na kyslík.
Komplex zahŕňa:
cytochróm a
cytochróm a3,
nehemové Fe,
Cytochrómoxidáza sa líši od iných cytochrómov:
prítomnosť medi
reaguje s kyslíkom
protónová pumpa.
Tento enzým má 4 redoxné centrá:
Cytochróm C CuA hem A hem a 3 CuB O 2
Сu + e Сu
Pri transporte jedného elektrónu sa prenesú dva vodíkové ióny, z ktorých jeden sa využíva pri redukcii kyslíka na vodu a druhý prechádza cez membránu.
Kyslík vstupujúci do mitochondrií z krvi sa viaže na atóm železa v cytochróme a heme.
Potom každý z atómov molekuly kyslíka
pripája 2 elektróny a 2 protóny,
premena na molekulu vody.
Protóny pochádzajú z vodného prostredia.
4ē + 4Н + О 2 2Н 2 0
Denne sa syntetizuje 200 - 400 ml vody - endogénnej vody.
Celý proces oxidácie NADH+H v dýchacom reťazci je spojený s prenosom 10H z vnútra membrány von.
Do tohto procesu sú zapojené komplexy I, III, IV.
Komplex II prenáša vodík z sukcinátu na KoQ. Tento komplex sa priamo nezúčastňuje na tvorbe energie.
Poruchy dýchacieho reťazca
Stav fatálnej detskej mitochondriálnej myopatie a dysfunkcie obličiek.
Je spojená s poklesom aktivity alebo úplnou absenciou väčšiny oxidoreduktáz dýchacieho reťazca.
Poradie distribúcie enzýmov v dýchacom reťazci je určené redoxným potenciálom.
Redoxný potenciál sa v reťazci mení, keď elektróny strácajú voľnú energiu prechádzajúc cez reťazec a presúvajú sa na nižšiu energetickú hladinu.
Substrát musí mať zápornejší potenciál ako nosný enzým:
Glukóza (-0,5 V) je zapnutá na samom začiatku dýchacieho reťazca.
Kyselina askorbová (+ 0,2 V) sa zapína z cytochrómu C1.
Elektróny môžu prechádzať všetkými nosičmi zo substrátu na kyslík.
Krátke reťaze
Sukcinát daruje elektróny FAD CoQ cytochrómy O 2 . Redoxný potenciál sukcinátu je -0,13.
Aminokyseliny flavínové enzýmy (aminokyselinové oxidázy) O 2 H 2 O 2.
Respiračné inhibítory
Insekticíd rotenón blokuje NADH-DG. Barbituráty blokujú prechod z AF na ubichinón.
Antimycín A blokuje štádium: cytochróm B cytochróm C.
Kyanidy, oxid uhoľnatý - inhibítory cytochrómoxidázy. Kyselina kyanovodíková reaguje s Fe, oxid uhoľnatý s Fe.
Kaskádovité uvoľňovanie energie v dýchacom reťazci
Prechod elektrónu pozdĺž reťazca je sprevádzaný postupným, postupným, zlomkovým uvoľňovaním energie.
Celkový pokles energie v dýchacom okruhu od -0,32 do +0,82 je 1,14 V.
Kaskádovú energiu možno využiť.
Prenos jedného páru elektrónov z NADH + H na kyslík dáva 52,6 kcal.
Keďže energia elektrónov sa nedá „uložiť“, premieňa sa na energiu chemické väzby ATP.
Existujú 2 typy dýchacích reťazcov:
spojené s transportom energie,
nesúvisiace s transportom energie.
Tkanivové dýchanie zahŕňa:
odstránenie vodíka zo substrátu,
viacstupňový proces prenosu elektrónov na kyslík.
Prenos elektrónov je sprevádzaný poklesom voľnej energie.
Časť energie sa rozptýli vo forme tepla a 40 % sa použije na syntézu ATP.
Mitochondrie sú bunkové organely, ktorých fungovanie pre akékoľvek znalý človek jasne spojené s výrobou energie. V mitochondriálnej matrici sú skutočne lokalizované rôzne enzýmy potrebné na oxidáciu substrátov.
Okrem toho vnútorná mitochondriálna membrána obsahuje systém proteínov prenášajúcich elektróny, ktoré zabezpečujú terminálny stupeň oxidácie substrátu a vytvárajú podmienky pre syntézu ATP.
Tento systém nosných proteínov má niekoľko názvov: dýchací reťazec, elektrónový transportný reťazec, elektrónový transportný reťazec, redoxný reťazec (redoxný reťazec). Niektoré z týchto názvov presnejšie odrážajú podstatu procesov, ktoré sa vyskytujú za účasti tohto reťazca, ale najčastejšie používajú jednoduchší názov - dýchací reťazec.
Podiel bielkovín dýchacieho reťazca je významný a tvorí 30-40 % z celkového proteínu vnútornej membrány mitochondrií.
Dýchací reťazec obsahuje:
- 1) depozity pyridíndehydrogenázy (obsahujú NAD+);
- 2) depozity flavíndehydrogenázy (obsahujúce FAD a FMN);
- 3) cytochrómy (c, c, cl, aa3);
- 4) lýzovanie proteínov;
- 5) voľný koenzým – ubichinón.
Práve táto postupnosť komponentov nie je náhodná, ale je určená hodnotami ich redoxného potenciálu (Eo). Táto konštanta kvantitatívne charakterizuje schopnosť redoxného páru, teda schopnosť oxidovanej a redukovanej formy určitej zlúčeniny darovať elektrón späť. Čím nižšia je (záporná) hodnota ORP páru, tým vyššia je jeho schopnosť darovať elektróny, to znamená byť oxidovaný. Naopak, pár s vyšším (kladným) Eo prijme elektróny a bude redukovaný. Elektróny sa teda pohybujú od jedného páru OB k druhému v smere kladnejšieho Eo. Tento prenos elektrónov je sprevádzaný poklesom voľnej energie.
Všetci účastníci elektrónového transportného reťazca sú štruktúrne spojení do štyroch redoxných systémov – multienzýmových komplexov I – IV.
Oxidačný proces začína prenosom protónov a elektrónov zo substrátu, ktorý sa oxiduje na NAD+ alebo FAD. Závisí to od charakteru substrátu. Každý z komplexov je schopný katalyzovať určitú časť úplná sekvencia reťazové reakcie.
Tieto komplexy sú súčasťou vnútornej membrány mitochondrií.
Komplex I - NADH dehydrogenáza - flavoproteín obsahujúci FMN. Tento enzým oxiduje NADH a prenáša dva atómy vodíka (2H + 2e-) na koenzým Q. Komplex obsahuje aj proteíny FeS. Komplex II - sukcinátdehydrogenáza - flavoproteíny obsahujúce FAD. Tento enzým oxiduje sukcinát a transportuje dva atómy vodíka (2H + 2e-) ku koenzýmu Q. Komplex obsahuje proteíny FeS.
Mitochondriálna matrica obsahuje aj ďalšie dehydrogenázy závislé od FAD, ktoré oxidujú zodpovedajúce substráty (glycerol-3-fosfát, acyl-CoA) a potom prenášajú atómy vodíka na koenzým Q.
Toky vodíkových atómov sa spájajú v štádiu tvorby redukovaného CoQH2.
Koenzým Q je poslednou zložkou reťazca, ktorá je schopná transportovať nielen protóny, ale aj elektróny (2H + 2e-). Ďalej protóny (2H+) prechádzajú z vnútorného povrchu mitochondriálnej membrány na vonkajšiu a elektróny (2e-) sa prenášajú na kyslík cez reťazec cytochrómu.
Komplex III - ubichinóndehydrogenáza - je enzýmový komplex, ktorý zahŕňa cytochróm b, FeS-proteín a cytochróm c1. Tento komplex transportuje elektróny 2e- z redukovaného ubichinónu KoQH2 do cytochrómu c (malý, vo vode rozpustný proteín nachádzajúci sa na vonkajšej strane vnútornej membrány).
Komplex IV - cytochróm c oxidáza - enzýmový komplex pozostávajúci z cytochrómov a a a3. Tieto enzýmy uskutočňujú posledný stupeň biologickej oxidácie - redukciu molekulárneho kyslíka elektrónmi (2e-).
Redukovaný kyslík О2- reaguje s voľnými protónmi (2Н +) matrice. Výsledkom reakcie je tvorba endogénnej alebo metabolickej vody.
Smer prenosu protónov a elektrónov určujú redoxné potenciály. Na zabezpečenie spontánneho prenosu musia byť zložky redoxného radu usporiadané podľa nárastu potenciálnych hodnôt.
Redoxný potenciál páru NAD + / NADH \u003d - 0,32 V, čo naznačuje vysokú schopnosť darovať elektróny. Redoxný potenciál páru kyslík/voda = + 0,82 V, čo naznačuje vysokú elektrónovú afinitu.
Celkový rozdiel v redoxných potenciáloch je 1,14 V. To zodpovedá zmene voľnej energie DG = -220 kJ / mol. Toto celkové množstvo reakčnej energie je rozdelené do menších a pohodlnejších „balíčkov“, ktorých hodnoty sú určené rozdielom v redoxných potenciáloch príslušných medziproduktov.
Keď pár elektrónov prechádza dýchacím reťazcom, uvoľňuje sa energia, z ktorej väčšina (60%) sa rozptýli vo forme tepla a zvyšok sa akumuluje v makroergických väzbách ATP, konkrétne sa absorbuje pri syntéze. reakcia ATP-oxidačnej fosforylácie.
Táto fosforylácia sa nazýva oxidatívna, pretože energia potrebná na vytvorenie makroergickej väzby sa generuje v procese oxidácie, to znamená pri pohybe protónov a elektrónov pozdĺž mitochondriálneho elektrónového transportného reťazca.
Prvým takýmto miestom je NAD®FMN, druhým je cytochróm b®cytochróm c1 a tretím je cytochróm Aa3® kisen. Tieto miesta sa nazývajú fosforylačné body. Termín "bod fosforylácie" alebo "miesto fosforylácie" by sa nemal chápať ako špecifické štádium, v ktorom priamo nastáva tvorba ATP. Ide o to, že tok elektrónov cez tieto tri časti reťazca je nejakým spôsobom spojený s tvorbou ATP (rozdiel OOP tu postačuje na syntézu 1 molekuly ATP).
Počas oxidácie substrátov dehydrogenáz závislých od FAD (napríklad sukcinátsukcinátdehydrogenázy) tok elektrónov z FADH2 do kyslíka neprechádza cez prvé fosforylačné miesto. V týchto prípadoch sa syntetizuje menej ako 1 molekula ATP, sú dve. Výťažok ATP pri oxidácii rôznych substrátov a za rôznych podmienok je vyjadrený pomerom P/O, ktorý zodpovedá počtu molekúl anorganického fosfátu obsiahnutých v ATP na jeden atóm spotrebovaného (absorbovaného) kyslíka. Tento pomer sa tiež nazýva fosforylačný koeficient. Pomer P / O pri prenose páru elektrónov z NADH na kyslík je teda 3 a z FADH2 na kyslík - 2. Pod vplyvom inhibítorov tkanivového dýchania sa pomer P / O znižuje.
