Физиологические механизмы клеточного дыхания. Электрон-транспортная цепь митохондрий. Функционирование Н - АТФсинтазы

Биологическое окисление происходит в митохондриях.

Пируват, жирные кислоты и аминокислоты переносятся из цитоплазмы через митохондриальные мембраны в матрикс митохондрий. После ряда биохимических превращений все эти субстраты распадаются до веществ, которые поступают в цикл лимонной кислоты. Пируват, образующийся главным образом в процессе аэробного расщепления глюкозы в цитоплазме, превращается в результате окислительного декарбоксилирования в матриксе митохондрий в ацетилкофермент А (ацетил–КоА), большая часть которого в нормальных условиях распадается в цикле лимонной кислоты.

Образовавшиеся в цикле лимонной кислоты молекулы НАДН (NADH, продукт трех реакций дегидрогенизации) и сукцинат диффундируют из матрикса митохондрий к их внутренней мембране, в которой локализованы ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования.В митохондриях НАДН подвергается окислению комплексом ферментов дыхательной цепи, включающим в качестве кофермента флавинмононуклеотид (FMN). Окисление сукцината осуществляется комплексом ферментов дыхательной цепи, в котором роль кофермента выполняет флавинадениндинуклеотид (ФАД, FAD). Оба флавопротеиновых комплекса передают электроны на убихинон (кофермент Q), который затем окисляется с участием цитохромов. В конечном счете из каждой молекулы водорода образуется 2 протона и 2 электрона. Далее электроны переносятся специфическими железосодержащими компонентами дыхательной цепи (цитохром b, FeS–белок, цитохром С1, цитохром С2) на цитохромоксидазу (комплекс цитохромов A и A3), которая передает их на молекулярный кислород. Восстановленный кислород соединяется со свободными ионами водорода с образованием воды. Энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, используется для перекачивания протонов из матрикса митохондрий в пространство между их внутренней и наружной мембранами. Перенос протонов приводит к созданию мембранного потенциала на внутренней митохондриальной мембране. За счет тока протонов обратно в матрикс митохондрий индуцируется, согласно теории Митчелла, синтез АТФ (окислительное фосфорилирование). При окислении каждой молекулы НАДН образуются три молекулы АТФ, а при окислении одной молекулы ФАДН2–две молекулы АТФ. В первом случае отношение образования АТФ к потреблению кислорода (коэффициент Р/0) равно 3 (на 1 грамм–атом кислорода образуются 3 моль АТФ), а во втором–2.

а) электрон-транспортная цепь митохондрий

Все субстраты клеточного дыхания, которыми служат продукты расщепления углеводов, жиров и белков, в конечном счете поставляют в дыхательную цепь атомарный водород. Он взаимодействует с кислородом. В результате образуется вода.В энергетическом отношении вода является базой (исходным уровнем отсчета) процессов жизнедеятельности. Из всех биологически важных веществ она обладает наименьшей свободной энергией. Подчеркивая это обстоятельство, говорят, что организм выделяет с водой электроны, лишенные энергии. Принимая электрон (е-), он восстанавливается, а при отдаче электрона - окисляется. Так, окисленный никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), приняв е- от Н, восстанавливается до НАДН, который является основным донором электронов для ДЦ. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) редокс-пары НАДН/НАД+ равен минус 0,32 В. Кроме никотинамидадениндинуклеотида, поставщиками электронов для следующих компонентов ДЦ могут служить сукцинат, глицерофосфат и другие вещества, но у редокс-пар, образованных этими веществами, абсолютное значение ОВП меньше, чем у пары НАДН/НАД+.

Общий перепад ОВП в ДЦ определяется суммой его абсолютных значений у первого донора е- и конечной редокс-пары, которую образуют вода и кислород. ОВП этой пары плюс 0,82 В. Следовательно, при переносе электрона с НАДН на О2 перепад ОВП равен 1,14 В (от - 0,32 до + 0,82 В). Положительный потенциал последующей редокс-пары относительно предыдущей притягивает к себе е-, являясь движущей силой электронного транспорта. Электроны как бы отталкиваются от отрицательного полюса и притягиваются к положительному.

Между перепадами ОВП (?ОВП) и изменениями свободной энергии (G) существует прямо пропорциональная зависимость: G = - n F ОВП,

где n - количество переносимых электронов,

F - число Фарадея (F= 96484 Клмоль-1)

Электроны перемещаются по ДЦ парами (n=2), вследствие чего изменение свободной энергии при транспорте электронов от НАД?Н до О2 составляет 220 кДж?моль-1.

Перенос -электронов в ДЦ с одного вещества на другое происходит по механизму туннельного эффекта, который осуществим на расстоянии не > 2,5 нм между взаимодействующими молекулами. Это условие обеспечивается пространственной организацией ДЦ во внутренней мембране митохондрии. Она упорядочивает транспорт возбужденных?-электронов по окислительно-восстановительному конвейеру. В мембране компоненты ДЦ, обозначенные на рис. 4, расположены в строгом порядке, причем последующий отстоит от предыдущего на расстояние менее 2,5 нм.С НАДН электрон поступает на ФМН, который при этом испытывает окислительно-восстановительные превращения. Их ОВП составляет - 0,185 В (положителен относительно - 0,32 В, что и заставляет е- покинуть предыдущую редокс-пару).Восстановленные флавины служат донорами электронов для кофермента Q (производного хинона), который также претерпевает редокс-превращения и далее поставляет их в систему цитохромов (в, с1, с, а, а3). Каждый из цитохромов имеет атом железа, способный совершать переходы из окисленной (Fe3+) в восстановленную (Fe2+) форму и обратно. Принимая электроны, цитохромы восстанавливаются, а отдавая их - окисляются. С последнего из цитохромов е- поступает на О2, восстанавливая его до Н2О.

Кроме электронов, идущих вдоль внутренней мембраны митохондрий, через нее (поперек) транспортируется много различных веществ, включая ион водорода (протон). С транспортом протонов, осуществляемым с участием протонной помпы (Н-АТФазы), также встроенной во внутреннюю митохондриальную мембрану, связан процесс сопряжения окисления, о котором говорилось выше, с фосфорилированием - превращением АДФ в АТФ, что обеспечивает аккумулирование в концевой фосфатной связи АТФ энергии, отдаваемой?-электронами при их переносе по ДЦ.

б) механизм сопряжения окисления и фосфорилирования в митохондриях

Билет 25

Функции таламуса.

Обработка почти всей информации, идущей от рецепторов к коре. Через него проходят сигналы от зрительных, слуховых, вкусовых кожных, мышечных, висцеральных рецепторов, а также ядер ствола мозга, мозжечка, подкорковых структур. Таламус содержит около 120 ядер. Ф-ии ядер: переключающая, интегративная, модулирующая.

Неспецифические ядра относятся к переднему отделу РФ ствола мозга. Их аксоны поднимаются к коре и диффузно пронизывают все ее слои. К этим ядрам подходят нервные волокна от нижележащих отделов РФ, гипоталамуса, лимбической системы, базальных ядер. При возбуждении неспецифических ядер в коре мозга развивается периодическая электрическая активность в виде веретен, что свидетельствует о переходе к сонному состоянию. Т.е. они обеспечивают определенный уровень функциональной активности коры.

Специфические ядра делятся на переключающие (релейные) и ассоциативные.

Переключающие ядра состоят из нейронов, у которых мало дендритов и длинный аксон. С помощью них происходит переключение сигналов идущих от нижележащих отделов ЦНС на соответствующие соматосенсорные зоны коры (например, в латеральных коленчатых телах переключаются зрительные сигналы на затылочные доли коры). В переключающих ядрах выделяется наиболее важная информация. При нарушении функции этих ядер выключается восприятие соответствующих сигналов.

Ассоциативные имеют большее количество отростков и синапсов. Это позволяет им воспринимать различные по характеру сигналы. Они получают эти сигналы от переключающих и осуществляют их первичный синтез. От них пути идут к ассоциативным зонам коры. в которых происходит высший синтез и формируются сложные ощущения.

Ядра таламуса участвуют в формировании безусловных двигательных рефлексов сосания, жевания, глотания.

Подкорковый центр болевой чувствительности, в котором формируется общее ощущение боли, не имеющее определенной локализации и окраски.