Компоненты цепи окислительного фосфорилирования

Оксидазный путь использования кислорода в клетке

Причины и последствия повреждений митохондрий

Метаболические и гомеостатические функции митохондрий

Локализации ферментов митохондрий

1). Наружная мембрана содержит: а). элонгазы, ферменты удлиняющие молекулы насыщенных жирных кислот; б). кинуренингидроксилазу; в). моноаминооксидазу (маркер) и др.

2). Межмембранное пространство содержит: а). аденилатциклазу; б). нуклеозиддифосфаткиназы.

3). Внутренняя мембрана содержит: а). ферменты цепи окислительного фосфорилирования, из них цитохромоксидаза - маркер; б). СДГ в). β-оксибутират ДГ; г). карнитинацилтрансферазу.

4). Матрикс содержит: а). ферменты ЦТК; б). ферменты β-окисления жирных кислот; в). аминотрансферазы АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ д). фосфоенолпируваткарбоксилазу е). пируват ДГ.

В клетке содержится от сотни до тысячи митохондрий, их размер 2-3 мкм в длину и 1 мкм в ширину.

В митохондриях происходит: синтез АТФ и теплопродукция в реакция окислительного фосфорилирования; β-окисления жирных кислот; реакции ЦТК, через ЦТК протекают некоторые реакции глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема, осуществляется интеграция белкового, липидного и углеводного обмена.

Повреждение внутренней мембраны митохондрий химическими и физическими факторами приводит к нарушению процесса синтеза АТФ, торможению анаболических реакций, межмембранного транспорта и всех видов обмена веществ.

- окислительное фосфорилирование

Оксидазный путь использования кислорода состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены. В нем участвует около 40 различных белков. Оксидазный путь потребляет 90% О₂, является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ. При окислении выделяется 220 кДж/моль свободной энергии. На синтез 3 АТФ расходуется: 30,5*3=91,5 кДж/моль. В виде тепла выделяется: 220-91,5=128,5 кДж/моль. КПД = 40%.НАДН₂ + ½О₂ → НАД⁺ + Н₂О + 220 кДж/мольАДФ + Н₃РО₄ + 30,5 кДж/моль = АТФ + Н₂О 1). Цепь окисления (дыхательная цепь) состоит из 4 белковых комплексов, которые определенным образом встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами. Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe₂S₂ и Fe₄S₄) белков. Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок. Комплекс III – Комплекс b-c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b₅₆₂, b₅₆₆, с₁, и железо-серный белок. Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а₃) и 2 атома меди. Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q₁₀). Убихинон переносит по 2Н⁺ и 2е^-. убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинон Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН₂ дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c₁, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона. 2). Фосфорилирование осуществляется АТФ-синтетазой (Н⁺-АТФ-аза) — интегральным белком внутренней мембраны митохондрий. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F₀ и F₁. Гидрофобный комплекс F₀ погружён в мембрану.

Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F0 состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс. Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, δ, ε). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя «головку»; между а- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ, δ, ε – субъединицы связывают комплекс F1, с F0.

Механизм окислительного фосфорилированияХемиосмотическая теория Митчелла Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая гипотеза, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровож­дается синтезом АТФ.

Современные представления В настоящее время открыты все основные компоненты ЦПЭ ОФ, изучено их строение, свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, механизмы некоторых стадий, регуляция окислительного фосфорилирования. Механизм окисления Комплексы цепи окисления располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе электрона от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. Изменение свободной анергии при переносе электронов по ЦПЭ. E-FMN — комплекс I; E-FAD — комплекс II, b-c₁ — комплекс III; aa₃ — комплекс IV. Часть этой свободной энергии используется для переноса протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, при этом на внутренней мембране создается протонный градиент (∆рН) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый протон несет положительный заряд, на мембране появляется разность потенциалов (∆V), внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В совокупности протонный градиент и разность потенциалов составляют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 220 мВ, и складывается из 160 мВ ∆V и 60 мВ ∆рН (при ∆рН=1). Механизм переноса протонов через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Однако установлено что важную роль в этом процессе играет КоQ. Цепь окисления 1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).2. КоQ с 2е^- забирает 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).

НАДН2

Созданный в цепи окисления электрохимический потенциал используется на: 40-45% для фосфорилирования; на 25% для транспорта веществ через мембрану и на 30-35% для теплопродукции. I, III и IV комплексы ЦПЭ называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, так как они создают электрохимический потенциал, необходимый для фосфорилирования. 1). Механизм фосфорилирования АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей. Электрохимический потенциал заставляет Н⁺ двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. При каждом переносе протонов через канал F_o энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла 1) связывание АДФ и Н₃РО₄; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ. Таким образом, электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения дыхания и фосфорилирования, используется для синтеза одной молекулы АТФ.

Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования (Р/О) называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания. Окисление молекулы НАДН₂ в ЦПЭ сопровож­дается образованием 3 молекул АТФ, сле­довательно, для НАДН₂ Р/О = 3. Электроны от ФАД-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. По­этому образуются только 2 молекулы АТФ, сле­довательно, для сукцината Р/О = 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт.