Биологическое окисление

Биологическое окисление

Тканевое дыхание

Окислительное фосфорилирование создает условия для АТФ -

универ-сальная форма энергии в живых организмах

Цикл трикарбоновых кислот доставляет НАДН и ФАДH2 к цепи транспорта

электронов

Жирные кислоты

Глюкоза

Ацетил Co A

Аминокислоты

Пируват

НАДH и ФАДH2 – энергетически богатые молекулы потому что содержат пару

электронов, которые имеют высокий трансферный потенциал

Коферменты НАДН и ФАДH2 образуются в матриксе при: (1) Окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил CoA (2) Аэробном окислении ацетил CoA в цикле трикарбоновых кислот (3) Окислении жирных кислот и аминокислот

Электроны НАДН или ФАДH2 используются для восстановления молекулярного

кислорода к воде

Электроны от НАДН и ФАДH2 не транспортируются прямо к O2, а транспортируются через электронные переносчики.

Восстановленая

?и окисленная формы НАД

Восстановленная

?и окисленная формы ФАД

Транспорт электронов переносчиками приводит к выкачиванию протонов из

матрикса в межмембранное пространство

В результате перераспределе-ния протонов создается градиент pH и трансмембран-ный электрический потенциал, который создает протонную силу

Окислительное фосфорилирование - это процесс в котором АТФ образуется

в результате переноса электронов из НАДН или ФАДH2 к O2 электронными переносчиками.

АТФ синтезируется когда протоны проходят назад в матрикс через ферментный комплекс АТФ синтазу Окисление макромолекул и фосфорилирование АДФ сопряжены протонным градиентом на внутренней мембране митохондрий

Цепь тканевого дыхания

Серия ферментных комплексов (переносчиков электронов), вмонтированных во внутреннюю митохондриальную мембрану, которые окисляют НАДH2 и ФАДH2 и транспортируют электроны к кислороду називается цепью тканевого дыхания.

Последовательность переносчиков электронов в цепи тканевого дыхания

Цепь тканевого дыхания состоит из 4 комплексов

I

II

III

IV

Компоненты электрон-транспортной цепи группируются во внутренней мембране митохондрий в дыхательные комплексы.

III

IV

II

I

Високоэнергетические электроны: редокс потенциалы и изменения

свободной энергии.

При окислительном фосфорилировании электрон трансферный потенциал НАДН или ФАДH2 превращается в фосфорил трансферный потенциал АТФ. Фосфорил трансферний потенциал – это ?G°' (энергия освобождается при гидролизе фосфатного соединения). ?G°' для АТФ = -7.3 ккал/моль Электрон трансферный потенциал E'o, (также называется редокс потенциал, или окислительно-восстановительный потенциал).

Энергия при транспорте электронов освобождается не постоянно, а в

определенном колличестве в каждом комплексе.

Энергия, выделенная в трех точках в цепи собирается в форме трансмембранного протонного градиента и используется для синтеза АТФ

Комплексы I-IV

Коферменты: убихинон (Q) и цитохром служат связывающим звеном между комплексами ЭТЦ Комплекс IV восстанавливает O2 к воде

Комплекс I (НАДH-убихинон оксидоредуктаза)

Состоит из: - фермента НАДH дегидрогеназы (ФМН – прост. група) - Fe -S.

Транспорт двух электронов от НАДH к коэнзиму Q приводит к переносу 4 ионов Н из матрикса в межмембранное пространство

Комплекс II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза)

Переносит электроны от сукцината к Co Q. - фермент сукцинатдегидрогеназа Fe-S. Сукцинат восстанавливает ФАД к ФАДH2. Потом электроны проходят к Fe-S белкам, которые восстанавливают Q к QH2

Комплекс II не создает протонный градиент.

Все электроны должны пройти через убихинон (Q)

Убихинон Q: - жирорастворимая молекула, - наименьшая и наиболее гидрофобная из всех переносчиков, - дифундирует в рамках липидного бислоя, - принимает электроны от I и II комплексов и передает их на комплекс III.

Переносит электроны от убихинона к цитохрому c. Состоит из: цитохрома

b, Fe-S кластеров и цит. c1. Цитохромы – электрон-транспортные белки, которые содержат гем, как простетическую группу (Fe2+ ? Fe3+).

Комплекс III (убихинон-цитохром c оксидоредуктаза)

Окисление одного QH2 сопровождается транслокацией 4 H+ через внутреннюю мембрану митохондрий. Два H+ из матрикса и два от QH2

Комплекс IV (цитохром аа3 оксидаза)

Переносит электроны с цитохрома c к O2. Состоит из: цитохромов a и a3. Катализирует 4-ох электронное восстановление молекулярного кислорода (O2) к воде (H2O): O2 + 4e- + 4H+ ? 2H2O

Реактивные формы кислорода и защита от них Если кислород принимает 4

электроны – образуются две молекулы H2O один электрон - супероксид анион (O2.-) два электрона – пероксид (O22-). O2.-, O22- и, особенно, их реактивные продукти являются вредными для клеточных компонентов – реактивные формы кислорода или ROS. ЗАЩИТА Супероксиддисмутаза O2.- + O2.- + 2H+ = H2O2 + O2 каталаза H2O2 + H2O2 = O2 + 2 H2O Антиоксидантные витамины: витамин E и C

Хемиосмотическая теория

Предложена Питером Митчелом в 1960 (Нобелевская премия, 1978) Хемиосмотическая теория: транспорт электронов и синтез АТФ объеденены протонным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий

Необходима интактная митохондриальная мембрана Транспорт электронов

через ЭТЦ генерирует протонный градиент 3. AТФ синтаза катализирует фосфорилирование АДФ в реакции, которая обеспечивается прохождение Н+ через внутреннюю мембрану в матрикс

Искусственная система, демонстрирует хемиосмотичну теорию

Синтетические везикулы содержат бактериородопсин и митохондриальную АТФ синтазу. Бактериородопсин – белок, который переносит протоны во время илюминации.

АТФ синтаза

Две субъединицы Fo и F1 F1 содержит каталитические субъединицы, где АДФ и Фн связываются. F0 пронизывает мембрану и служит как протонный канал. Энергия, которая освобождаетсяться при “падении” протонов используется для синтеза АТФ.

Активный транспорт ATФ, AДФ и Pн через внутреннюю митохондриальную

мембрану

АТФ должен транспортироваться в цитозоль, а АДФ и Фн - в матрикс AДФ/ATФ переносчик меняет митохондриальное ATФ на цитозольное АДФ Фосфат (H2PO4-) транспортируется в матрикс за механизмом симпорта з H+. Переносчик фосфата снижает ?pH.

Регуляция окислительного фосфорилирования

Сопряжение тканевого дихания с окислительным фосфорилированием

Транспорт электронов тесно связан с фосфорилированием. АТФ не может быть синтезирован путем окислительного фосфорилирования если нет энергии освобожденной при электронном транспорте. Электроны не проходят через электрон-транспортную цепь если АДФ не фосфорилируется к АТФ. Основные регуляторы: НАДН, O2, AДФ Внутримитохондриальное соотношение АТФ/АДФ является контрольным механизмом Высокое соотношение ингибирует так как АТФ аллостерически связывается с комлексом IV

Дыхательный контроль

Регуляция скорости окислительного фосфорилирования с помощью уровня АДФ называется дыхательным контролем

Внутрення митохондриальная мембрана содержит белок-разъединения

Белок-разъединения образует канал для перехода протонов из цитозоля в матрикс.

Разъединение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

Разъединители

Разъединителями являются жирорастворимые слабые кислоты Разъединители снижают протонный градиент транспортируя протоны через мембрану

2,4-Динитрофенол – эффективный разъединитель

Выход АТФ

12 протонов выкачиваются из матрикса во время транспорта двух электронов от НАДН к O2 (комплекс I, III и IV).

Перенос 3H+ необходим для синтеза одной молекулы АТФ АТФ-синтазой 1 H+ необходим для транспорта Фн. 4 H+ используется для каждой синтезированной АTФ Для НАДН: 3 АТФ Для ФАДН2: 2 ATФ