Структура и функции дыхательной цепи. Дыхательной цепи. Комплексы и ферменты дыхательной цепи
Водород на двух переносчиках (10 молекулах восстановленного НАД и двух молекулах восстановленного ФАД) направляется теперь к внутренней мембране митохондрий. Эта мембрана образует складки, так называемые кристы, увеличивающие площадь ее поверхности. Водород - это топливо. Мы уже отмечали, что при его окислении молекулярным кислородом образуется вода и выделяется энергия:
2Н 2 + 0 2 --------> 2Н 2 0+ Энергия
Часть этой энергии используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при окислительном фосфорилировании. Энергия не выделяется вся сразу в одной какой-нибудь реакции. Процесс разбит на ряд небольших этапов и среди них есть такие, на которых выделяется достаточно энергии для синтеза АТФ. Данная последовательность реакций известна как дыхательная цепь. В дыхательной цепи участвует ряд переносчиков водорода и электронов, заканчивается же она кислородом. Водород или электроны переходят от одного переносчика к другому, двигаясь в энергетическом смысле «вниз» до тех пор, пока на конечном этапе они не восстановят молекулярный кислород до воды. На каждом этапе выделяется некоторое количество энергии, причем в нескольких пунктах этот переход сопряжен с синтезом АТФ.
В подписи к рисунку сказано о дыхательной цепи несколько более подробно. На конечном этапе действует медьсодержащий переносчик, называемый цитохро-моксидазой. Цианид (или моноксид углерода) блокирует клеточное дыхание на этом этапе. Цианид связывается с медью, после чего кислород уже не может с ней соединиться.
На рисунке видно, что на каждую молекулу восстановленного НАД , поступающую в дыхательную цепь, при переходе водорода или электронов к кислороду образуются 3 молекулы АТФ. Однако на каждую молекулу восстановленного ФАД образуется всего лишь две молекулы АТФ, потому что восстановленный ФАД поступает в дыхательную цепь на более низком энергетическом уровне.
Общий баланс для дыхательной цепи приведен в таблице.
Суммарное уравнение для дыхательной цепи имеет вид:
12Н 2 + 60 2 ---------> 12Н 2 0 + 34АТФ
Объединим два приведенных ниже уравнения, 1 и 2:
Итак, на каждую молекулу глюкозы, окисленную в процессе аэробного дыхания, образуется 38 молекул АТФ.
Общая схема процесса аэробного дыхания приведена на рисунке.
Окисление жирных кислот
Когда в качестве дыхательного субстрата используются липиды, они сначала гидролизуются до глицерола и жирных кислот, после чего от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты, так что на каждом этапе эта длинная молекула укорачивается на два атома углерода. Двууглеродная ацетильная группа соединяется с коферментом А и образовавшийся ацетил-КоА вступает, как обычно, в цикл Кребса. Из каждой молекулы жирной кислоты извлекается большое количество энергии: при окислении стеариновой кислоты, например, выход АТФ составляет 147 молекул. Неудивительно поэтому, что жирные кислоты - важный источник энергии. Около половины обычных энергетических затрат сердечной мышцы, скелетных мышц (в покое), почек и печени покрывается именно за счет окисления жирных кислот.
Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования . Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н + или восстановленного убихинона (QH 2) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н + и, соответственно, QH 2) и акцептора (О 2) реакция является высокоэкзергонической . Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.
Компоненты дыхательной цепи
Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV ), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики - убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа , принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза иногда называется комплексом V , хотя она не принимает участия в переносе электронов.
Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов , связанных с белкам. К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.
Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н + комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН 2 или флавопротеин. При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон . Последний переносит электроны в комплекс III , который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с 1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с . Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu A и Cu B) и гемы а и а 3 , через которые электроны, наконец, поступают к кислороду . При восстановлении О 2 образуется сильный основной анион О 2- , который связывает два протона и переходит в воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом .
Организация дыхательной цепи
Перенос протонов комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация ионов H + , т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ.
Как уже упоминалось, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее обычно они не контактируют друг с другом, так как электроны переносятся убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря неполярной боковой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны.
Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цитратный цикл и β-окисление - самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O 2 и образование АТФ (ATP). Полученный АТФ переносится по механизму антипорта (против АДФ) в межмембранное пространство, откуда через порины проникает в цитоплазму.
Все биохимические реакции в клетках любого организма протекают с расходованием энергии. Дыхательная цепь - это последовательность специфических структур, которые расположены на внутренней мембране митохондрий и служат для образования АТФ. Аденозинтрифосфат является универсальным источником энергии и способен аккумулировать в себе от 80 до 120 кДж.
Дыхательная цепь электронов - что это такое?
Электроны и протоны играют важную роль в образовании энергии. Они создают разность потенциалов на противоположных сторонах мембраны митохондрий, что порождает направленное движение частиц - ток. Дыхательная цепь (она же ЭТЦ, цепь переноса электронов) является посредником при переносе положительно заряженных частиц в межмембранное пространство и отрицательно заряженных частиц в толще внутренней мембраны митохондрий.
Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Этот сложный комплекс видоизменяет энергию направленного движения протонов в энергию биохимических связей. К слову, практически идентичный комплекс находится и в хлоропластах растений.
Комплексы и ферменты дыхательной цепи
Перенос электронов сопровождается биохимическими реакциями в присутствии ферментативного аппарата. Эти многочисленные копии которых образуют большие комплексные структуры, служат посредниками при переносе электронов.
Комплексы дыхательной цепи - это центральные компоненты транспортировки заряженных частиц. Всего во внутренней мембране митохондрий находятся 4 таких образования, а также АТФ-синтаза. Все эти структуры объединены общей целью - перенос электронов по ЭТЦ, перенос протонов водорода в межмембранное пространство и, как следствие,
Комплекс представляет собой скопление белковых молекул, среди которых встречаются ферменты, структурные и сигнальные протеины. Каждый из 4 комплексов выполняет свою, только свойственную ему, функцию. Давайте разберемся, для каких задач в ЭТЦ присутствуют эти структуры.
I комплекс
В переносе электронов в толще мембраны митохондрий главную роль выполняет дыхательная цепь. Реакции отщепления протонов водорода и сопутствующих им электронов - одна из центральных реакций ЭТЦ. Первый комплекс транспортной цепи принимает на себя молекулы НАД*Н+ (у животных) или НАДФ*Н+ (у растений) с последующим отщеплением четырех протонов водорода. Собственно, из-за этой биохимической реакции I комплекс также называется НАДН - дегидрогеназой (по названию центрального фермента).
В состав входят железосерные белки 3 видов, а также флавинмононуклеотиды (ФМН).
II комплекс
Работа данного комплекса не сопряжена с переносом протонов водорода в межмембранное пространство. Основная функция этой структуры заключается в поставке дополнительных электронов в электрон-транспортную цепь посредством окисления сукцината. Центральный фермент комплекса - сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, который катализирует отщепление электронов от янтарной кислоты и перенос на липофильный убихинон.
Поставщиком протонов водорода и электронов ко второму комплексу также является ФАД*Н 2 . Однако КПД флавинадениндинуклеотида меньше, чем у его аналогов - НАД* Н или НАДФ*Н.
В состав II комплекса входят три вида железосерных белков и центральный фермент сукцинат-оксидоредуктаза.
III комплекс
Следующий по счету компонент, ЭТЦ, состоит из цитохромов b 556 , b 560 и c 1 , а также железосерного белка Риске. Работа третьего комплекса сопряжена с переносом двух протонов водорода в межмембранное пространство, и электронов от липофильного убихинона на цитохром С.
Особенностью белка Риске является то, что он растворяется в жире. Другие протеины этой группы, которые встречались в составе комплексов дыхательной цепи, водорастворимы. Эта особенность влияет на положение белковых молекул в толще внутренней мембраны митохондрий.
Третий комплекс функционирует как убихинон-цитохром с-оксидоредуктаза.
IV комплекс
Он же цитохром-оксидантный комплекс, является конечным пунктом в ЭТЦ. Его работа заключается в переносе электрона с цитохрома-с на атомы кислорода. Впоследствии отрицательно заряженные атомы О будут вступать в реакцию с протонами водорода с образованием воды. Главный фермент - цитохром с-кислород-оксидоредуктаза.
В состав четвертого комплекса входят цитохромы a, a 3 и два атома меди. Центральная роль в переносе электрона к кислороду досталась цитохрому a 3 . Взаимодействие этих структур подавляется цианидом азота и угарным газом, что в глобальном смысле приводит к прекращению синтеза АТФ и гибели.
Убихинон
Убихинон - это витаминоподобное вещество, липофильное соединение, которое свободно перемещается в толще мембраны. Дыхательная цепь митохондрий не может обойтись без этой структуры, т. к. она отвечает за транспортировку электронов от комплексов I и II к комплексу III.
Убихинон является производным бензохинона. Эта структура на схемах может обозначаться буквой Q или сокращенно ЛУ (липофильный убихинон). Окисление молекулы приводит к образованию семихинона - сильного окислителя, который потенциально опасен для клетки.
АТФ-синтаза
Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Эта грибоподобная структура использует энергию направленного движения частиц (протонов) для преобразования ее в энергию химических связей.
Основной процесс, который встречается на протяжении всей ЭТЦ, - Дыхательная цепь отвечает за перенос электронов в толще мембраны митохондрий и аккумулирование их в матриксе. Одновременно с этим комплексы I, III и IV перекачивают протоны водорода в межмембранное пространство. Разница зарядов на сторонах мембраны приводит к направленному движению протонов через АТФ-синтазу. Так Н+ попадают в матрикс, встречают электроны (которые связаны с кислородом) и образуют нейтральное для клетки вещество - воду.
АТФ-синтаза состоит из F0 и F1 субъединиц, которые вместе образуют роутер молекулы. F1 состоит из трех альфа и трех бета-субъединиц, которые вместе образуют канал. Этот канал имеет в точности такой же диаметр, какой имеют протоны водорода. При прохождении положительно заряженных частиц через АТФ-синтазу головка F 0 молекулы крутится на 360 градусов вокруг своей оси. За это время к АМФ или АДФ (аденозинмоно- и дифосфат) присоединяются фосфорные остатки с помощью в которых заключено большое количество энергии.
АТФ-синтазы встречаются в организме не только в митохондриях. У растений эти комплексы также расположены на мембране вакуолей (тонопласте), а также на тилакоидах хлоропласт.
Также в клетках животных и растений присутствуют АТФ-азы. Они имеют схожую структуру, как и у АТФ-синтаз, однако их действие направлено на отщепление фосфорных остатков с затратой энергии.
Биологический смысл дыхательной цепи
Во-первых, конечным продуктом реакций ЭТЦ является так называемая метаболическая вода (300-400 мл в сутки). Во-вторых, происходит синтез АТФ и запасание энергии в биохимических связях этой молекулы. В сутки синтезируется 40-60 кг аденозинтрифосфата и столько же используется в ферментативных реакциях клетки. Срок жизни одной молекулы АТФ составляет 1 минуту, поэтому дыхательная цепь должна работать слаженно, четко и без ошибок. В противном случае клетка погибнет.
Митохондрии считаются энергетическими станциями любой клетки. Их количество зависит от энергозатрат, которые необходимы для тех или иных функций. Например, в нейронах можно насчитать до 1000 митохондрий, которые часто образуют скопление в так называемой синаптической бляшке.
Отличия дыхательной цепи у растений и животных
У растений дополнительной «энергетической станцией» клетки является хлоропласт. На внутренней мембране этих органелл также найдены АТФ-синтазы, и это является преимуществом перед животными клетками.
Также растения могут выживать в условиях высокой концентрации угарного газа, азота и цианидов за счет цианид-устойчивого пути в ЭТЦ. Дыхательная цепь, таким образом, заканчивается на убихиноне, электроны с которого сразу переносятся на атомы кислорода. В результате синтезируется меньше АТФ, однако растение может пережить неблагоприятные условия. Животные в таких случаях при длительном воздействии погибают.
Можно сравнить КПД НАД, ФАД и цианид-устойчивого пути с помощью показателя образования АТФ при переносе 1 электрона.
- с НАД или НАДФ образуется 3 молекулы АТФ;
- с ФАД образуется 2 молекулы АТФ;
- по цианид-устойчивому пути образуется 1 молекула АТФ.
Эволюционное значение ЭТЦ
Для всех эукариотических организмов одним из основных источников энергии является дыхательная цепь. Биохимия синтеза АТФ в клетке делится на два типа: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. ЭТЦ используется в синтезе энергии второго типа, т. е. за счет окислительно-восстановительных реакций.
У прокариотических организмов АТФ образуется только в процессе субстратного фосфорилирования на стадии гликолиза. Шестиуглеродные сахара (преимущественно глюкоза) вовлекаются в цикл реакций, и на выходе клетка получает 2 молекулы АТФ. Этот тип синтеза энергии считается наиболее примитивным, т. к. у эукариот в процессе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.
Однако это не значит, что современные растения и животные потеряли способность к субстратному фосфорилированию. Просто этот тип синтеза АТФ стал только одним из трех этапов получения энергии в клетке.
Гликолиз у эукариот проходит в цитоплазме клетки. Там находятся все необходимые ферменты, которые смогут расщепить глюкозу до двух молекул с образованием 2 молекул АТФ. Все последующие этапы проходят в матриксе митохондрий. Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, также протекает в митохондриях. Это замкнутая цепь реакций, в результате работы которой синтезируются НАД*Н и ФАД*Н2. Эти молекулы пойдут как расходный материал в ЭТЦ.
Митохондрии – органеллы клетки, функционирование которых для любой знающего человека четко ассоциируется с производством энергии. Действительно в матриксе митохондрий локализованы различные ферменты, необходимые для окисления субстратов.
Кроме того, внутренняя мембрана митохондрий содержит систему белков-переносчиков электронов, которые обеспечивают терминальный этап окисления субстратов и создают условия для синтеза АТФ.
Эта система белков-переносчиков имеет несколько названий: дыхательная цепь, электрон-транспортной цепи, цепь переноса электронов, редокс-цепь (окислительно-восстановительный цепь). Некоторые из этих названий более точно отражают суть процессов, которые происходят при участии этой цепи, но чаще всего используют более простое название – дыхательную цепь.
Доля белков дыхательной цепи существенная и составляет 30-40% общего белка внутренней мембраны митохондрий.
В составе дыхательной цепи находятся:
- 1) пиридинзалежни дегидрогеназы (содержат НАД +);
- 2) флавинзалежни дегидрогеназы (ФАД- и ФМН-содержащие);
- 3) цитохромы (в, с, с1, а а3);
- 4) зализосирчани белки;
- 5) свободный кофермент – убихинон.
Именно такая последовательность компонентов не случайна, а обусловлена величинами их окислительно-восстановительного потенциала (Ео). Эта константа количественно характеризует способность окислительно-восстановительной пары, то есть способность окисленной и восстановленной форм определенной соединения обратно отдавать электрон. Чем ниже (негативный) величина ОВП пары, тем выше ее возможности отдавать электроны, то есть окисляться. И наоборот, пара с более высоким (положительным) значением Ео будет принимать электроны и восстанавливаться. Таким образом, электроны переходят от одной ОВ пары к другой в направлении более позитивного Ео. Такой перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии.
Все участники цепи переноса электронов структурово объединены в четыре окислительно-восстановительные системы – мультиферменти комплексы I – IV.
Процесс окисления начинается с переноса протонов и электронов с субстрата, что окисляется, на НАД + или ФАД. Это зависит от природы субстрата. Каждый из комплексов способен катализировать определенную часть полной последовательности реакций цепи.
Эти комплексы являются частью внутренней мембраны митохондрий.
Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа – флавопротеинами, содержащий ФМН. Этот фермент окисляет НАДН и передает два атома водорода (2Н + 2е-) на коэнзим Q. Комплекс также содержит FeS-белки. Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа – флавопротеинами, содержащий ФАД. Этот фермент окисляет сукцинат и транспортирует два атома водорода (2Н + 2е-) на коэнзим Q. В составе комплекса присутствуют FeS-белки.
В матриксе митохондрий также содержатся и другие ФАД-зависимые дегидрогеназы, которые окисляют соответствующие субстраты (глицерол-3-фосфат, ацил-КоА) и далее передают атомы водорода на коэнзим Q.
Потоки атомов водорода объединяются на стадии образования восстановленного КоQН2.
Коэнзим Q является последним компонентом цепи, который способен транспортировать не только протоны, но и электроны (2Н + 2е-). Далее протоны (2Н +) переходят с внутренней поверхности мембраны митохондрии на внешнюю, а электроны (2е-) через цепь цитохромов переносятся на кислород.
Комплекс III – убихинондегидрогеназа – это ферментный комплекс, который включает цитохром b, FeS-белок и цитохром с1. Этот комплекс транспортирует электроны 2е- от восстановленного убихинона КоQН2 на цитохром с (небольшой по размерам водорастворимый белок, содержащийся на внешней стороне внутренней мембраны).
Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментный комплекс, состоящий из цитохромов а и а3. Эти ферменты осуществляют последнюю стадию биологического окисления – восстановления электронами (2е-) молекулярного кислорода.
Восстановленный кислород О2- реагирует со свободными протонами (2Н +) матрикса. В результате реакции образуется эндогенная, или метаболическая вода.
Направление переноса протонов и электронов определяют окислительно-восстановительные потенциалы. Для обеспечения спонтанного переноса компоненты окислительно-восстановительного ряда должны располагаться согласно увеличением величин потенциалов.
Редокс-потенциал пары НАД + / НАДН = – 0,32 В, что свидетельствует о высокой способности отдавать электроны. Редокс-потенциал пары кислород / вода = + 0,82 В, что свидетельствует о высокой сродство к электронов.
Общая разница редокс-потенциалов равна 1,14 В. Этому соответствует изменение свободной энергии DG = – 220 кДж / моль. Эта общая величина энергии реакции распределяется на небольшие и более удобные «пакеты», величины которых определяются по разнице окислительно-восстановительных потенциалов соответствующих промежуточных продуктов.
При прохождении по дыхательной цепи пары электронов высвобождается энергия, большая часть которой (60%) рассеивается в виде тепла, а другая аккумулируется в макроергичниз связях АТФ, а именно поглощается в реакции синтеза АТФ-окислительного фосфорилирования.
Это фосфорилирования называется окислительным, так как энергия, необходимая для образования макроэргической связи, генерируется в процессе окисления, то есть движения протонов и электронов по митохондриальной цепи транспорта электронов
Первая такая участок – это НАД ®ФМН, вторая – цитохром b ®цитохром с1, третья – цитохром Аа3 ® ?кисень. Эти участки называют пунктами фосфорилирования. Термин “пункт фосфорилирования” или “участок фосфорилирования” не надо понимать как конкретную стадию, на которой непосредственно происходит образование АТФ. Речь идет о том, что поток электронов через эти три участка цепи каким образом соединенный с образованием АТФ (перепад ООП здесь достаточен для синтеза 1 молекулы АТФ).
При окислении субстратов ФАД-зависимых дегидрогеназ (например, сукцината сукцинатдегидрогеназу) поток электронов от ФАДН2 к кислороду не проходит через первый пункт фосфорилирования. В этих случаях синтезируется на 1 молекулу АТФ менее, есть две. Выход АТФ при окислении различных субстратов и в разных условиях выражают отношением Р / О, которое соответствует количеству молекул неорганического фосфата, включенных в АТФ, в расчете на один атом потребленного (поглощенного) кислорода. Это соотношение называют также коэффициентом фосфорилирования. Таким образом, отношение Р / О при переносе пары электронов от НАДН к кислороду равна 3, а от ФАДН2 к кислороду – 2. При воздействии ингибиторов тканевого дыхания отношение Р / О снижается.
