Структурная организация цпэ

Система ферментов и белков, обеспечивающая взаимосвязь (сопряжение) процессов окисления и фосфорилирования АДФ, получила название цепи переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательной цепи.

В основе ЦПЭ лежит работа 3-х важнейших ферментативных комплексов.

• Первый ферментативный комплекс NADН-дегидрогеназа (I) представляет собой белок, имеющий простетическую группу – FMN, коферментом является рибофлавин (витамин В₂). NADН-дегидрогеназа катализирует перенос 2Н с кофермента NADН на FMN, который переходит в форму FMNН₂. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению:

NADH + Н⁺ + Е (FMN) → NAD⁺ + Е (FMNH₂)

С FMNH₂ электроны переносятся затем на ряд железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы.

Атомы железа в таких белках могут принимать и отдавать электроны поочерёдно, переходя в ферро- (Fe₂₊) и ферри- (Fe₃₊) состояния. Затем электроны переносятся на кофермент Q (убихинон).

• Убихинон (кофермент Q₁₀) – жирорастворимое витаминоподобное вещество, широко распространённое в клетках всех организмах. Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q₁₀. Убихинон способен восстанавливаться и превращаться в убихинол, имеющий 2 ОН-группы.

В реакции восстановления убихинон принимает от FMNН₂ 2е, таким образом в результате работы NADH-дегидрогеназы кофермент NADH переходит в окисленную форму.

NADH + Н⁺ + Q → NAD⁺+ QH₂.

• Ферментный комплекс QH₂-дегидрогеназа (IIi) представляет сложный белок, включающий цитохромы (b₁ и b₂) и цитохром с₁. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а₃, b, с, с₁). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов. Рабочей частью всех цитохромов является гемм, содержащий ион Fe²⁺, который может принимать электрон и менять валентность.

QН₂-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с. Внутри комплекса III электроны передаются от цитохромов b на FeS-центры, на цитохром с₁, а затем на цитохром с. Группы гема, подобно FeS-центрам, переносят только по одному электрону. Таким образом, от молекулы QH₂ 2 электрона переносятся на 2 молекулы цитохрома b.

• Цитохромоксидаза (ферментный комплекс IV) состоит из 2 цитохромов а и а₃, а также ионы меди, которые могут изменять свою валентность и участвуют в переносе электронов на кислород.

Cu⁺ ↔ Cu²⁺ + e, Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ + e.

Цитохромы а и а₃ в восстановленной форме имеют высокое сродство к кислороду, который принимает два электрона и переходит в ионизированную форму. В активном центре цитохромоксидазы кислород присоединяет 2Н⁺ из матрикса и образуется молекула воды.

Работа комплекса IV цитохромоксидазы также сопровождается переносом Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство (против градиента концентрации).

Таким образом, все ферментативные комплексы ЦПЭ, участвующие в передаче электронов, обеспечивают перекачивание Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

I - NADH-дегидрогеназа; II - сукцинат дегидрогеназа; III - QН₂-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V - АТФ-синтаза.

Повышение концентрации Н⁺ в межмембранном пространстве приводит к возникновению градиента электрохимического потенциала ΔμН⁺. Энергия ΔμН⁺ используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Порядок участия ферментов в работе цепи обусловлен величиной их окислительно-восстановительного потенциала, который возрастает от одного компонента к другому.

Компонент ЦПЭ	окислительно-восстановительный потенциал, Е0
NAD^+/ NADH	-0,32
FMN//FMNH2	-0,22
Q/QH2	+0,10
Цитохром с	+0,25
О2/Н2О	+0,82

Работу ЦПЭ объясняет хемиосмотическая теория Митчелла, основные положения которой объясняют механизмы сопряжения процессов биологического окисления и фосфорилирования АДФ.

При движении от окисляемого субстрата к кислороду электроны теряют часть своей энергии. Эту энергию ферменты ЦПЭ используют для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство против градиента концентрации, т.е. комплексы ЦПЭ работают как протонный насос, перекачивая Н⁺.

Градиент электрохимического потенциала стимулирует возвращение протонов из межмембранного пространства в матрикс. Но внутренняя мембрана митохондрий для Н⁺ непроницаема. Их перенос происходит с помощью фермента АТФ-синтазы (комплекс V), имеющего протонный канал F₀. Н⁺ межмембранного пространства присоединяются к ферменту, изменяя его заряд и конформацию. Это приводит к раскрытию протонного канала, переносу Н⁺ в матрикс по градиенту концентрации и активации поверхностной части фермента, катализирующей реакцию образования АТФ.

АДФ + Н₃РО₄ АТФ + Н₂О

Образующиеся молекулы АТФ траспортируются из матрикса в цитозоль АДФ-АТФ-транслоказами, которые одновременно переносят АДФ в митохондрию.

Количество АТФ, образующееся в результате сопряжения работы ЦПЭ и АТФ-синтазы, оценивается с помощью коэффициент окислительного фосфорилирования.

Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; энергия электронов и протонов в ЦПЭ от FAD-зависимых дегидрогеназ (сукцинатдегидрогеназа), достаточна для активации АТФ-синтазы и фосфорилирования 2 молекул АТФ. Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2.

Для синтеза АТФ используется не вся энергия, выделяющаяся в процессе переноса электронов и протонов в ЦПЭ, а примерно 40-50%. Более 30% всей энергии выделяется в виде тепла, обеспечивая поддержание температуры тела человека. Остальная энергия используется для работы клеток (например, для транспорта веществ через мембрану).

Биологические функции ЦПЭ

• Использует энергию окисления субстратов для синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования

• Обеспечивает поддержание температуры тела

В норме скорость окисления первичных доноров Н⁺ и электронов регулируется содержанием АДФ. Выполнение клеткой работы с затратой АТФ приводит к накоплению АДФ, это активирует окисление субстратов и поглощение кислорода митохондриями клетки.

Таким образом, клетки реагируют интенсивность метаболизма и поддерживают соотношение АТФ/АДФ на необходимом уровне. Зависимость интенсивности поглощения кислорода от концентрации АДФ называется дыхательным контролем.

Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой, т.е. частота оборотов цикла АТФ и АДФ, может меняться в десятки раз.