III комплекс qн2-дегидрогеназа

III комплекс включает 2 типа Ц: в, с1 и FeS.

ē передаются от Ц в на FeS-центры, затем на Ц с1 и на Ц с. Одновременно с комплекса протоны Н+ переносятся в ММП.

Цитохром С - периферический водорастворимый мембранный белок, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом. От Ц с ē переносятся на IV комплекс.

IV комплекс- цитохромоксидаза

В IV комплекс входят два цитохрома а и а3, каждый из которых имеет центр связывания с кислородом.

В комплексе содержатся 2 иона меди.

С комплекса протоны Н+ переносятся в ММП.

IV комплекс транспортирует ē непосредственно на молекулярный кислород, активируя его:

аа3 ½ О2 О

У активированного О2 появляются две свободные валентности, к которым присоединяются 2 протона Н+, поступающие из матрикса. Это приводит к образованию Н2О.

V комплекс – атф-синтаза

АТФ-синтаза состоит из двух белковых субъединиц.

Гидрофобная - F0 погружена в мембрану.

Функция – каналообразующая, по ней протоны переносятся в матрикс.

Субъединица F1 выступает в матрикс.

Функция – каталитическая, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.

внутрен-няя

мембрана

6. Окислительное фосфорилирование АДФ. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, их транспорт по ЦПЭ к кислороду сопровождается относительно большим снижением свободной энергии.

В ЦПЭ можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Это количество свободной энергии необходимо для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование).

Процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Механизм сопряжения окончательно не выяснен, наиболее обоснованной является хемиосмотическая теория Митчелла, предложенная в 1961г.

Перенос электронов по ЦПЭ от НАДН к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана не проницаема для протонов.

Таким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд – на внутренней стороне, положительный заряд – на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН⁺ - источник энергии для синтеза АТФ.

Энергия электрохимического потенциала (ΔμН⁺) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы (V комплекс).

Наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН⁺ происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III, IV. Эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, где и происходит синтез АТФ.

Отношение количества Н3РО4, использованной на фосфорилирование АДФ, к атому поглощенного кислорода, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О.

Для субстратов, которые отдают протоны и электроны на НАД-зависимые дегидрогеназы, коэффициент фосфорилирования равен 3/1=3АТФ, так как протоны и электроны транспортируются через 3 пункта сопряжения (I, III, IV комплексы).

Например, изоцитрат, малат, ПВК и др.

Для субстратов, которые отдают протоны и электроны на ФАД-зависимые дегидрогеназы и сукцинат-фумарат-дегидрогеназу (II комплекс), коэффициент фосфорилирования равен 2/1=2АТФ, так как электроны поступают на III комплекс, минуя первый пункт сопряжения (I комплекс). Например, сукцинат, глицерол-3-фосфат и др.

6. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания (окисления) и фосфорилирования (свободное окисление).

Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода.

Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.

Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны и другие ионы (ионофоры) из мембранного пространста через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается, что приводит к возрастанию скорости окисления НАДН и ФАДН₂, возрастает и количество поглощенного кислорода, но энергия выделяется в виде тепла, и коэффициент Р/О резко снижается (свободное окисление).

Разобщители – липофильные вещества, легко проходящие через липидный слой мембраны:

- 2,4-динитрофенол,

- дикумарол (антивитамин вит. К);

- билирубин (продукт распада гема);

- тироксин (гормон щитовидной железы).

Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.

6. Образование токсичных форм кислорода в ЦПЭ и обезвреживание перекиси водорода ферментом пероксидазой.

В большинстве реакций с участием молекулярного кислорода его восстановление происходит поэтапно с переносом одного электрона на каждом этапе. При одноэлектронном переносе происходит образование промежуточных высокореактивных форм кислорода.

В невозбужденном состоянии кислород нетоксичен. Образование токсических форм кислорода связано с особенностями его молекулярной структуры. О2 содержит 2 неспаренных электрона с параллельными спинами, которые не могут образовывать термодинамическую стабильную пару и располагаются на разных орбиталях. Каждая из этих орбиталей может принять ещё один электрон.

Полное восстановление О₂ происходит в результате 4 одноэлектронных переходов:

ē

О₂ О₂ˉ - супероксид

+ē , Н⁺

О₂^- Н₂О₂ - пероксид

+ē , Н⁺ +ē , Н⁺

Н₂О₂ Н₂О + ОН^- 2Н₂О

гидроксильный радикал

Супероксид, пероксид и гидроксильный радикал- активные окислители, представляют серьезную опасность для многих структурных компонентов клетки.

Активные формы кислорода могут отщеплять электроны от многих соединений, превращая их в новые свободные радикалы, инициируя цепные окислительные реакции. Активные формы О₂ вызывают окисление липидов, белков мембраны клеток, ДНК, РНК. Все это приводит к разрушению клеток.

Большая часть активных форм О₂ образуется при переносе электронов в ЦПЭ, прежде всего, при функционировании QН₂– дегидрогеназного комплекса. Это происходит в результате неферментативного переноса («утечки») электронов с QН₂ на кислород.

Супероксид может образовываться:

1. При спонтанном окислении гемоглобина. В норме гемоглобин обратимо связывает кислород в оксигемоглобин, однако оксигемоглобин превращается в метгемоглобин (Fе³⁺) и супероксид О₂ˉ.

2. Вирус гриппа взаимодействует с нейтрофилами легочной ткани и образует О₂ˉ, который поддерживает воспаление, деструктивные процессы.

3. Нейтрофилы, в избытке накапливающиеся в воспаленных суставах, также образуют О₂ˉ, которые участвуют в развитии артритов.

В организме существуют защитные механизмы:

- гемсодержащие ферменты: пероксидаза, которая расщепляет Н₂О₂:

пероксидаза

Н₂О₂ Н₂О + О