Какие сложные белки осуществляют перенос электронов в дыхательной цепи

Обновлено: 30.06.2024

Терминальное окисление происходит на третьей стадии клеточного дыхания. Суть этого процесса сводится к извлечению энергии из восстановленных в цикле Кребса коферментов (НАД и ФАД) путем их окисления.

Процесс терминального окисления происходит с участием дыхательной цепи митохондрий. Дыхательная цепь (цепь транспорта электронов) представляет собой совокупность переносчиков, осуществляющих транспорт электронов от восстановленного субстрата (восстановленного НАД или ФАД) на конечный акцептор – кислород.

Компонентами дыхательной цепи являются флавиновые дегидрогеназы, цитохромы, железосерные белки и др., которые функционируют в строго определенной последовательности. Ниже схематически представлена последовательность расположения основных переносчиков в дыхательной цепи митохондрий:

где НАДН – ДГ – НАДН-дегидрогеназа; цит. – цитохром.

Представленная на схеме последовательность функционирования переносчиков электронов дыхательной цепи определяется величиной их окислительно-восстановительных потенциалов. Перенос электронов происходит от переносчика с меньшим к переносчику с большим потенциалом (рис. 70). Акт переноса электронов сопровождается выделением энергии, величина которой прямо зависит от разности потенциалов между переносчиками. В том случае, если разность потенциалов превышает 0,2 В, перенос электрона сопровождается выделением более 7,3 ккал энергии, что достаточно для синтеза молекулы АТФ. В дыхательной цепи митохондрий существуют три участка, в которых разность потенциалов между соседними переносчиками превышает это значение. Данные участки представляют собой пункты фосфорилирования дыхательной цепи.

Рисунок 70 – Величина окислительно-восстановительного потенциала

переносчиков дыхательной цепи (Е – пункты фосфорилирования)

Постепенный ступенчатый перенос электронов по дыхательной цепи от восстановленного субстрата на кислород обеспечивает дробное выделение заключенной в нем энергии, что позволяет избежать теплового повреждения митохондрий.

Основным субстратом окисления дыхательной цепи митохондрий является восстановленный НАД. Его образование связано с функционированием НАД-зависимых дегидрогеназ. Перенос электрона с субстрата окисления на НАД в реакции, катализируемой данными энзимами, происходит в соответствии со следующей схемой:

С восстановленного НАД электроны далее поступают на простетическую группу флавиновых дегидрогеназ. Флавиновые дегидрогеназы подразделяются на две подгруппы в зависимости от структуры их небелкового компонента (простетической группы):

Окисление восстановленного НАД в дыхательной цепи митохондрий происходит с участием НАДН-дегидрогеназы, простетическая группа которой представлена ФМН:

Электроны могут поступать на флавиновые дегидрогеназы дыхательной цепи не только с восстановленного НАД, но и с других субстратов. В качестве подобных субстратов выступают янтарная кислота, высшие жирные кислоты, глицерофосфат и др. Их окисление происходит ФАД-зависимыми дегидрогеназами. Характерным примером служит окисление янтарной кислоты в цикле Кребса, которое катализируется сукцинатдегидрогеназой:

С простетической группы флавиновых дегидрогеназ электроны далее поступают на коэнзим Q-убихонон. Убихинон представляет собой низкомолекулярное соединение липидной природы. За счет гидрофобной структуры он свободно перемещается в липидном бислое внутренней митохондриальной мембраны.

С восстановленного КoQ электроны передаются в цитохромный участок дыхательной цепи. Цитохромы представляют собой сложные белки – гемопротеиды. В зависимости от структуры входящего в их состав гема они подразделяются на группы – а, в, c и d.

Способность цитохромов участвовать в процессе переноса электронов, обусловлена входящим в состав их гема атомом железа, которое представляет собой металл переменной валентности и может существовать в окисленной (Fe +3 ) и восстановленной (Fe +2 ) формах. В отличие от НАД-зависимых и флавиновых дегидрогеназ, осуществляющих одновременный перенос двух электронов по дыхательной цепи, цитохромы являются одноэлектронными переносчиками.

Цитохромы различаются по величине окислительно-восстано-вительного потенциала. Наименьшим окислительно-восстановительным потенциалом обладает цитохром в, который выступает в роли акцептора электрона от убихинона. Восстановление цитохрома в происходит в соответствии со схемой, представленной ниже:

Транспорт электронов через цитохромы сопровождается последовательным окислением и восстановлением атомов железа в их геме:

Терминальным (конечным) компонентом дыхательной цепи является цитохромоксидаза (ЦТО). Этот переносчик включает в свой состав два цитохрома – а и а₃. Помимо этого, в состав цитохромоксидазы входят два атома меди. Медь подобно железу представляет собой металл переменной валентности. Она может существовать в окисленной (Cu +2 ) и восстановленной (Cu + ) формах. Оба атома меди, входящие в состав цитохромоксидазы, принимают непосредственное участие в переносе электронов до дыхательной цепи. Причем перенос электрона с цитохромоксидазы на кислород происходит именно через атом меди:

В результате переноса четырех электронов на молекулу кислорода и связывания четырех протонов из матрикса образуется две молекулы воды. Вода, образующаяся в процессе тканевого дыхания, называется эндогенной водой.

В том случае, если на кислород переносится не четыре, а меньшее количество электронов, возникают продукты неполного восстановления кислорода. При одноэлектронном восстановлении возникает супероксидный анион-радикал (О₂ - ), при двухэлектронном восстановлении – перекись водорода (Н₂О₂).

Продукты неполного восстановления кислорода являются токсичными соединениями, которые обладают способностью повреждать клетку, в которой они образуются. В этой связи в клетках существуют особые ферментные системы, которые разрушают эти продукты обмена веществ (каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза и др.:

На самом деле дыхательная цепь имеет значительно более сложное строение, чем было представлено. В ее состав входят несколько десятков переносчиков электронов. Особенно широкое распространение из них имеют железо-серные белки, которые проявляют свойства одноэлектронных переносчиков.

Все переносчики дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану. Они не случайно разбросаны по ней, а объединены в четыре отдельных комплекса:

· I комплекс включает НАДН-дегидрогеназу и ряд железосерных белков;

· II комплекс содержит ФАД-зависимый фермент (сукцинатдегидрогеназу) и ряд железо-серных белков;

· III комплекс включает в состав цитохромы в, с₁ и железо-серные белки;

· IV комплекс представляет собой цитохромоксидазу.

Комплексы дыхательной цепи представляют собой огромные надмолекулярные структуры, основу которых составляют интегральные белки, встроенные во внутреннюю митохондриальную мембрану. В комплекс объединены переносчики, которые имеют близкий окислительно-восстановительный потенциал (рис 71).

Рисунок 71 – Комплексы дыхательной цепи митохондрий

(поперечная линия указывает место действия ингибиторов дыхания)

Отдельные комплексы дыхательной цепи представляют собой очень громоздкие образования, которые не могут перемещаться в мембране. По этой причине они не имеют возможности прямо передавать друг другу электроны. Передача электронов между различными комплексами дыхательной цепи осуществляется с помощью подвижных переносчиков. В качестве таких подвижных переносчиков между комплексами I и III, а также II и III выступает KoQ, между комплексами III и IV – цитохром с.

В специальных исследованиях было показано, что пункты фосфорилирования дыхательной цепи находятся на уровне I, III и IV комплексов.

Перенос электронов по дыхательной цепи специфически тормозится под влиянием особой группы веществ – ингибиторов дыхания (дыхательных ядов). По действию на дыхательную цепь они подразделяются на три основные группы (рис. 71):

1) ингибиторы, тормозящие перенос электронов через I комплекс дыхательной цепи (барбитураты, ретенон);

2) ингибиторы, тормозящие перенос электронов через III комплекс дыхательной цепи (миксотиазол, антимицин А);

3) ингибиторы IV комплекса дыхательной цепи (цианиды, окись углерода, азиды и др.).

Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выделением энергии, которая может запасаться в форме АТФ. Процесс синтеза АТФ, сопряженный с функционированием дыхательной цепи митохондрий, определяется как окислительное фосфорилирование. Именно окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в клетках аэробных организмов.

Окисли́тельное фосфорили́рование — метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде АТФ. Хотя различные формы жизни на Земле используют разные питательные вещества, АТФ является универсальным соединением, в котором запасается энергия, необходимая для других метаболических процессов. Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Вероятно, широкому распространению этого метаболического пути.

Фотофосфорили́рование — процесс синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии света. Как и в случае окислительного фосфорилирования, энергия света расходуется на создание протонного градиента на мембране тилакоидов или клеточной мембране бактерии, который затем используется АТФ-синтазой. Фотофосфорилирование — очень древняя форма фотосинтеза, которая есть у всех фототрофных эукариот, бактерий и архей. Различают два типа фосфорилирования — циклическое, сопряжённое с циклическим потоком электронов в электрон-транспортной.

Аденозинтрифосфа́т или Аденозинтрифосфорная кислота (сокр. АТФ, англ. АТР) — нуклеозидтрифосфат, имеющий большое значение в обмене энергии и веществ в организмах. АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах, в частности для образования ферментов. Открытие вещества произошло в 1929 году группой учёных Гарвардской медицинской школы — Карлом Ломаном, Сайрусом Фиске и Йеллапрагадой Суббарао, а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным.

Субстра́т в биохимии — исходное вещество, преобразуемое ферментом в результате специфического фермент-субстратного взаимодействия в один или несколько конечных продуктов. После окончания катализа и высвобождения продукта реакции активный центр фермента снова становится вакантным и может связывать другие молекулы субстрата.

Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т (НАДФ, NADP) — широко распространённый в природе кофермент некоторых дегидрогеназ — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в живых клетках. НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества. В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях. НАДФ, — кофермент, отличающийся от НАД.

Никотинамидадениндинуклеоти́д (англ. Nicotinamide adenine dinucleotide, сокр. NAD, НАД, устар. diphosphopyridine nucleotide, DPN, ДПН) — кофермент, имеющийся во всех живых клетках. NAD представляет собой динуклеотид и состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами. Один из нуклеотидов в качестве азотистого основания содержит аденин, другой — никотинамид. Никотинамидадениндинуклеотид существует в двух формах: окисленной (NAD+, NADox) и восстановленной (NADH, NADred).

Окисли́тельное декарбоксили́рование пирува́та — биохимический процесс, заключающийся в отщеплении одной молекулы углекислого газа (СО2) от молекулы пирувата и присоединения к декарбоксилированному пирувату кофермента А (КоА) с образованием ацетил-КоА; является промежуточным этапом между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот. Декарбоксилирование пирувата осуществляет сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК), включающий в себя 3 фермента и 2 вспомогательных белка, а для его функционирования.

Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (сокр. ЦТК, цикл Кре́бса, цитра́тный цикл, цикл лимо́нной кислоты́) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные остатки (СН3СО-) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 НАДН, 1 ФАДH2 и 1 ГТФ (или АТФ). Электроны, находящиеся на НАДН и ФАДH2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ.

Цитозо́ль (англ. cytosol, происходит от греч. κύτος — клетка и англ. sol от лат. solutio — раствор) — жидкое содержимое клетки. Большую часть цитозоля занимает внутриклеточная жидкость. Цитозоль разбивается на компартменты при помощи разнообразных мембран. У эукариот цитозоль располагается под плазматической мембраной и является частью цитоплазмы, в которую, помимо цитозоля, входят митохондрии, пластиды и другие органеллы, но не содержащаяся в них жидкость и внутренние структуры. Таким образом, цитозоль.

Активные формы кислорода (АФК, реактивные формы кислорода, РФК, англ. Reactive oxygen species, ROS) — включают ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси как неорганического, так и органического происхождения. Это, как правило, небольшие молекулы с исключительной реактивностью благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне.

ФАД — флавинадениндинуклеотид — кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. ФАД существует в двух формах — окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами.

Активный центр — согласно ИЮПАК, это особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность.

Оксидоредукта́зы (КФ1) — отдельный класс ферментов, катализирующих лежащие в основе биологического окисления реакции, сопровождающиеся переносом электронов с одной молекулы (восстановителя — акцептора протонов или донора электронов) на другую (окислитель — донор протонов или акцептор электронов).

Простетическая группа — небелковый (и не производный от аминокислот) компонент, ковалентно связанный с белком, который выполняет важную роль в биологической активности соответствующего белка. Простетические группы могут быть органическими (витамины, углеводы, липиды) или неорганическими (например, ионы металлов).

Убихинол — восстановленная форма убихинона. Несёт два дополнительных электрона и два протона. Фактически убихинол можно рассматривать как убихинон, который присоединил к себе молекулу водорода.

Цитохромы (гемопротеины) — это крупные мембранные белки (за исключением наиболее распространённого цитохрома c, который является маленьким глобулярным белком), которые содержат ковалентно связанный гем, расположенный во внутреннем кармане, образованном аминокислотными остатками.

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина, — серия биохимических реакций, осуществляемая при фотосинтезе растениями (в строме хлоропластов), цианобактериями, прохлорофитами и пурпурными бактериями, а также многими бактериями-хемосинтетиками, является наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации CO2. Цикл Кальвина назван в честь американского биохимика Мелвина Кальвина (1911—1997). Часто используются альтернативные названия, указывающие на роль коллег Кальвина в открытии.

Субстратное фосфорилирование — характерная для всех живых организмов реакция синтеза АТФ или ГТФ путём прямого переноса фосфата (PO3) на АДФ или ГДФ с высокоэнергетического промежуточного продукта. В ходе катаболического окисления органических соединений в живых клетках неорганический фосфат переносится на органическое вещество с образованием богатых энергией молекул, с которых он переносится на АДФ или ГДФ. При этом перенос может происходить только с молекул с достаточно высоким потенциалом переноса.

Пентозофосфа́тный путь (пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт, путь Варбурга — Диккенса — Хорекера) — альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Пируватдегидрогена́зный ко́мплекс, ПДК (англ. Pyruvate dehydrogenase complex, PDH, PDC) — белковый комплекс, осуществляющий окислительное декарбоксилирование пирувата. Он включает в себя три фермента и два вспомогательных белка, а для его функционирования необходимы пять кофакторов (СоА, NAD+, тиаминпирофосфат (ТРР), FAD и липоевая кислота (липоат)). PDH локализован у бактерий в цитозоле, а у эукариот — в митохондриальном матриксе. Суммарное уравнение катализируемой реакции таково.

Остаток в биохимии и молекулярной биологии — структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров; часть мономера, которая остаётся неизменной после включения его в биополимер. Например, остатками принято называть аминокислотные звенья, входящие в состав пептида. Остатки уже не являются аминокислотами, так как в результате реакции конденсации, они утратили по одному атому водорода из аминогруппы и гидроксил, входящий в состав карбоксильной группы. Кроме того, остатками также считаются.

Гистиди́н (L-α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота) — гетероциклическая альфа-аминокислота, одна из 20 протеиногенных аминокислот. Является одной из двух условно-незаменимых аминокислот (наряду с аргинином). Незаменимой является только для детей.

Митохо́ндрия (от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зёрнышко, крупинка) — двумембранная сферическая или эллипсоидная органелла диаметром обычно около 1-0,5 микрометра. Характерна для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные). Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза АТФ и термогенеза.

Оксалоацетат, щавелевоуксусная кислота (HO2C-C(O)-CH2-CO2H) — органическое соединение, четырёхуглеродная двухосновная кетокислота. Существует в виде таутомера HO2C-C(OH)=CH-CO2H.

Глико́лиз, или путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса (от греч. γλυκός — сладкий и греч. λύσης — расщепление) — процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. Гликолиз состоит из цепи последовательных ферментативных реакций и сопровождается запасанием энергии в форме АТФ и НАДH. Гликолиз является универсальным путём катаболизма глюкозы и одним из трёх (наряду с пентозофосфатным путём и путём Энтнера — Дудорова) путей окисления глюкозы.

Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота; 2-амино-3-меркаптопропановая кислота) — алифатическая серосодержащая аминокислота. Оптически активна, существует в виде L- и D- изомеров. L-Цистеин входит в состав белков и пептидов, играет важную роль в процессах формирования тканей кожи. Имеет значение для дезинтоксикационных процессов.

Железосерные кластеры (также Fe—S-кластеры) — элементоорганические соединения, группа белковых кофакторов, обладающих окислительно-восстановительным (Red/Ox) потенциалом в районе от −500 мВ до +300 мВ. Red/Ox-потенциал зависит от структуры и конформации белка, что делает эти кофакторы важнейшими участниками окислительно-восстановительных реакций в клетке. Железосерные кластеры способны принимать или отдавать электроны (см. рисунок). Белки, содержащие железосерные кластеры, являются эволюционно древними.

Связывание углерода — общее название совокупности процессов, при которых углекислый газ CO2 преобразуется в органические вещества. Такие процессы используют автотрофы, то есть организмы, которые сами вырабатывают необходимые для себя органические вещества. В частности, процесс связывания углерода является составной частью фотосинтеза.

Фосфорилирование — процесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату, как правило, катализируемый ферментами и ведущий к образованию сложных эфиров фосфорной кислоты.

Нитрогеназа (КФ 1.18.6.1) — комплекс ферментов (мультифермент), осуществляющий процесс фиксации атмосферного азота. Широко распространён у бактерий и архей, в то время как все эукариоты его лишены.

Сери́н (англ. Serine; α-амино-β-оксипропионовая кислота; 2-амино-3-гидроксипропановая кислота) — гидроксиаминокислота, существует в виде двух оптических изомеров — L и D.

Метили́рование — введение в органические соединения метильной группы -СН3 вместо атома водорода, металла или галогена. Частный случай алкирования. Метилирование в терминальном положении приводит к удлинению углеродной цепи в молекуле на 1 атом.

Пластоцианин — медьсодержащий белок, вовлечённый в транспорт электронов от фотосистемы II к фотосистеме I. Этот мономерный белок, состоящий у большинства сосудистых растений из 99 аминокислот, имеет молекулярную массу около 10,5 кДа. Он является представителем пластоцианинового семейства медьсвязывающих белков.

Фосфатаза — фермент, который катализирует дефосфорилирование субстрата (как правило другого белка) в результате гидролиза сложноэфирной связи фосфорной кислоты. При этом образуется фосфатный анион и молекула продукта с гидроксильной группой. По своему каталитическому и физиологическому действию фосфатаза является антагонистом фосфорилазы и киназы, которые присоединяют фосфатную группу к субстрату.

Пептидная связь — вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (—NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислоты.

Дисульфи́дные мо́стики, или дисульфи́дная связь, — ковалентная связь между двумя атомами серы (—S—S—), входящими в состав серосодержащей аминокислоты цистеина. Образующие дисульфидную связь аминокислоты могут находиться как в одной, так и в разных полипептидных цепях белка. Дисульфидные связи образуются в процессе посттрансляционной модификации белков и служат для поддержания третичной и четвертичной структур белка.

Биосинтез — процесс синтеза природных органических соединений живыми организмами. Путь биосинтезного соединения — это приводящая к образованию этого соединения последовательность реакций, как правило, ферментативных (генетически детерминированных), но изредка встречаются и спонтанные реакции, обходящиеся без ферментативного катализа. Например, в процессе биосинтеза лейцина одна из реакций является спонтанной и протекает без участия фермента. Биосинтез одних и тех же соединений может идти различными.

Аспарагиновая кислота (аминоянтарная кислота, аспартат, аминобутандиовая кислота, 2-аминобутандиовая кислота) — алифатическая аминокислота, одна из 20 протеиногенных аминокислот организма. Встречается во всех организмах в свободном виде и в составе белков. Кроме того, выполняет роль нейромедиатора в центральной нервной системе.

Электрохими́ческий градиéнт, или градиéнт электрохимического потенциáла, — совокупность градиента концентрации и мембранного потенциала, которая определяет направление движения ионов через мембрану. Состоит из двух составляющих: химического градиента (градиента концентрации), или разницы в концентрациях растворённого вещества по обе стороны мембраны, и электрического градиента (мембранного потенциала), или разницы зарядов, расположенных на противоположных сторонах мембраны. Градиент возникает вследствие.

Анаэробное дыхание — биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.

Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие роль активного центра или простетической группы молекулы фермента.

Аденозиндифосфат (АДФ) — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. АДФ образуется в результате переноса концевой фосфатной группы Аденозинтрифосфата (АТФ). АДФ участвует в энергетическом обмене во всех живых организмах, из него образуется АТФ путём фосфорилирования с затратами энергии (субстратное фосфорилирование, окислительное фосфорилирование, или фотофосфорилирование при фотосинтезе).

Аденозинмонофосфат (AМФ, adenosine monophosphate) 5'-аденилат, это эфир фосфорной кислоты и аденозинового нуклеозида. Молекула АМФ содержит фосфатную группу, сахар рибозу и азотистое основание аденин (A). АМФ играет важную роль во многих клеточных процессах обмена веществ. АМФ также компонент синтеза РНК.

Глиоксила́тный цикл, или глиоксила́тный шунт — анаболический путь, имеющийся у растений, бактерий, протистов и грибов, представляет собой видоизменённый цикл трикарбоновых кислот. Глиоксилатный цикл служит для превращения ацетил-СоА в сукцинат, который далее используется для синтеза углеводов. У микроорганизмов он обеспечивает утилизацию простых углеродных соединений в качестве источника углерода, когда более сложные источники, например, глюкоза, недоступны, а также может считаться одной из анаплеротических.

Проли́н (пирролидин-α-карбоновая кислота) — гетероциклическая аминокислота, в которую атом азота входит в составе вторичного, а не первичного, амина (в связи с чем пролин правильнее называть иминокислотой). Существует в двух оптически изомерных формах — L и D, а также в виде рацемата.

Глутамин (также Глютамин) (2-аминопентанамид-5-овая кислота) — одна из 20 стандартных аминокислот, входящих в состав белка. Глутамин полярен, не заряжен и является амидом моноаминодикарбоновой глутаминовой кислоты, образуясь из неё в результате прямого аминирования под воздействием глутаминсинтетазы.

Редокс-потенциал выражается значением электродвижущей силы (в вольтах), которая возникает в растворе между окислителем и восстановителем, присутствующих в концентрации 1,0 моль/л при 25˚ С (при рН=7,0 оба находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя). При рН=7,0 редокс-потенциал системы Н₂ /2Н + +2ē равен – 0,42 v. Знак – означает, что данная редокс-пара легко отдаёт электроны, т.е. играет роль восстановителя, знак + указывает на способность редокс-пары принимать электроны, т.е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАДН∙Н + / НАД + равен – 0,32 v, что говорит о высокой её способности отдавать электроны, а окислительно-восстановительная пара ½О₂ /Н₂О имеет наибольшую положительную величину +0,81 v, т.е. кислород обладает наивысшей способностью принимать электроны.

В процессе окисления АцКоА в ЦТК, восстановленные формы НАДН2 и ФАДН2 поступают в ДЦ, где энергия электронов и протонов трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ДЦ — совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электороны и протоны с субстрата на кислород.

Принципы функционирования ДЦ основаны на 1-ом и 2-ом законах термодинамики.

Движущей силой ДЦ является разность ОВП. Суммарная разность всей ДЦ составляет 1,1 В. Пункты фосфорилирования должны иметь перепад ОВП = 0,25 — 0,3 В.

Пара НАД-Н имеет ОВП = 0,32 В.
Пара Q-b — / — /- — 0 В.
O2 — имеет +0,82 В.

ДЦ локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет 2 пути введения электронов и протонов или 2 входа; ДЦ образует 4 комплекса.

1 вход: НАД-зависимый (поступают электроны и протоны со всех НАД-зависимых реакций).

2 вход: ФАД-зависимый

Янтарная кислота —->ФП

Дыхательная цепь – форма реализации биологического окисления.

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих во внутренней митохондриальной мембране с участием ферментов дыхательной цепи. Дыхательная цепь имеет чёткую структурную организацию, её компоненты формируют дыхательные комплексы, порядок расположения которых зависит от величины их редокс-потенциала (рис.5.1). Количество дыхательных цепей в отдельно взятой митохондрии из клеток разных тканей неодинаково: в печени – 5000, в сердце – около 20 000, следовательно, миокардиоциты отличаются более интенсивным дыханием, чем гепатоциты.

Прежде чем остановиться на характеристике каждого из компонентов дыхательной цепи, познакомимся с субстратами тканевого дыхания.

Субстраты тканевого дыхания подразделяются на 2 группы:

НАД-зависимые – субстраты цикла Кребса изоцитрат, α-кетоглутарат и малат. Это также пируват, гидроксибутират и β–гидрокси-ацил~КоА, глутамат и некоторые другие аминокислоты. Водород от НАД-зависимых субстратов c помощью НАД-зависимых дегидрогеназ передаётся на I-й комплекс дыхательной цепи.
ФАД-зависимые – сукцинат, глицерол-3-фосфат, ацил~КоА и некоторые другие. Водород от ФАД-зависимых субстратов передаётся на II-й комплекс дыхательной цепи.

При дегидрировании субстратов НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется восстановленная форма НАД (НАДH∙H + ).

Указана окисленная форма кофермента НАД + . Этот кофермент является динуклеотидом (никотинамид—аденин—динуклеотид): в состав одного нуклеотида входит витамин РР (никотинамид), другой представляет собой АМФ. Способность кофермента играть роль промежуточного переносчика водородов связана с наличием в его структуре витамина РР. В электронно-протонной форме процесс обратимого гидрирования-дегидрирования может быть представлен уравнением (R- остальная часть кофермента):

Дигидроксиацетон фосфат → глицерол-3-фосфат

НАДH∙H + затем окисляется 1-м комплексом дыхательной цепи. Рассмотрим работу этого комплекса.

I комплекс цепи тканевого дыхания – НАДH∙H + -убихинон-оксидодуктаза.

Первый комплекс является самым большим в дыхательной цепи (представлен 23-30 субъединицами). Он катализирует перенос водорода от НАДH∙H + на убихинон (рис. 5.1 и рис. 5.3). В его состав входят кофермент ФМН (флавинмононуклеотид) и железосерные белки, содержащие негеминовое железо. Функция этих белков заключается в разделении потока протонов и электронов: электроны переносятся от ФМН∙Н₂ к внутренней поверхности внутренней мембраны митохндрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны и затем высвобождаются в митохондриальный метрикс.

При транспорте протонов и электронов редокс-потенциал первого комплекса снижается на 0,38 v, что вполне достаточно для синтеза АТФ. Однако в самом комплексе АТФ не образуется, а высвобождающаяся в результате работы комплекса энергия аккумулируется (см. ниже образование электро-химического потенциала) и частично рассеивается в виде тепла.

По своему строению ФМН – мононуклеотид, в котором азотистое основание представлено изоаллоксазиновым ядром рибофлавина, а пентозой является рибитол (иными словами, ФМН – это фосфорилированная форма витамина В₂).

Функция ФМН заключается в акцепции 2 атомов водорода от НАДH∙H + и передачи их железосерным белкам. Водород (2 электрона и 2 протона) присоединяется к атомам азота изоаллоксазинового кольца, при этом происходит внутримолекулярная перегруппировка двойных связей с образованием промежуточного семихинона – соединения свободнорадикальной природы (на схеме представлено суммарное уравнение реакции, где R – остальная часть молекулы)

II комплекс цепи тканевого дыхания – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза.

Этот комплекс имеет меньшую молекулярную массу и также содержит железосерные белки. Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза катализирует перенос водорода от сукцината на убихинон. В состав комплекса входит кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид) и фермент сукцинатдегидрогеназа, который является одновременно ферментом цикла Кребса. Ацил~SКоА, 3-фосфо-глицерат и диоксиацетон фосфат также являются ФАД-зависимыми субстратами тканевого дыхания и с помощью этого кофермента контактируют со вторым комплексом.

Рис. 5.3 Первый комплекс дыхательной цепи

Энергия включения водорода субстратов во II комплекс цепи тканевого дыхания рассеивается в основном в виде тепла, так как на этом участке цепи редокс-потенциал снижается незначительно и этой энергии для синтеза АТФ мало.

Процесс восстановления ФАД протекает аналогично таковому ФМН.

Кофермент Q или убихинон — гидрофобное соединение, является компонентом клеточных мембран, содержится в большой концентрации, относится к группе витаминов. относится к группе витаминов.

Убихинон (коэнзим Q). Убихинон – небольшая липофильная молекула, по химическому строению представляющая собой бензохинон с длинной боковой цепью (число изопреноидных единиц колеблется от 6 у бактерий до 10 у млекопитающих).

В дыхательной цепи коэнзим Q является своеобразным депо (пулом) водорода, который он получает от различных флавопротеинов. Липофильный характер молекулы убихинона обуславливает его способность свободно перемещаться в липидной фазе митохондриальной мембраны, перехватывая протоны и электроны не только от I и II комплексов дыхательной цепи, но и захватывая из митохондриального матрикса протоны. При этом убихинон восстанавливается с образованием промежуточного свободнорадикального продукта – семихинона .

Восстановленная форма убихинона – убихинол – передаёт протоны и электроны на III комплекс дыхательной цепи.

аа_{3 —} состоит из 6 субъединиц каждая из которых содержит гем и атом меди. 2 субъединицы составляют цитохром а, а остальные 4 относятся к цитохрому а_3.Цитохромоксидаза имеет высокую степень сродства к кислороду и может работать при его низких концентрациях.

Между НАД и ФП, b-c, a-a3 имеет место max перепад ОВП. Эти пункты являются местом синтеза АТФ (местом фосфорилирования АДФ).

III комплекс цепи тканевого дыхания – убихинол-цитохром С-оксидоредуктаза. В состав III комплекса входят цитохромы b и с₁, относящиеся к группе сложных белков хромопротеинов. Простетическая группа этих белков окрашена (chroma – краска) и близка по химическому строению к гему гемоглобина. Однако в противоположность гемоглобину и оксигемоглобину, в которых железо должно быть только в 2-х валентной форме, железо в цитохромах при работе дыхательной цепи переходит от двух- к трёхвалентному состоянию (и обратно).

Как видно из названия, III комплекс переносит электроны от убихинола на цитохром С. Вначале электроны поступают на окисленную форму цитохрома b (Fe 3+ ), который при этом восстанавливается (Fe 2+ ), затем восстановленный цитохром b передаёт электроны окисленной форме цитохрома с, который также восстанавливается и, в свою очередь, передаёт электроны цитохрому С.

IV комплекс дыхательной цепи – цитохром С-оксидаза. Комплекс назван оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с кислородом. У млекопитающих этот крупный (~ 200 kD) трансмембранный белок состоит из 6-13 субъединиц, из которых некоторые кодируются митохондриальной ДНК. В состав IV комплекса входят 2 хромопротена – цитохром а и цитохром а₃. В отличие от других цитохромов, цитохромы а и а₃ каждый содержат не только атом железа, но и атом меди. Медь в составе этих цитохромов при транспорте электронов также попеременно переходит в окисленное (Cu 2+ ) и восстановленное (Cu + ) состояние.

Цитохром с-оксидаза катализирует одноэлектронное окисление 4-х восстановленных молекул цитохрома с и при этом одновременно осуществляет полное (4-х электронное) восстановление молекулы кислорода:

4 цитохрома с (Fe 2+ ) + 4 H + + O₂ 4 цитохрома с (Fe 3+ ) + H₂O

Протоны для образования молекул воды поступают из матрикса. Следует заметить, что эта реакция весьма сложна и протекает через промежуточные стадии образования свободных радикалов кислорода.

Таким образом, тканевое дыхание представляет собой процесс транспорта электронов и протонов от НАД- или ФАД-зависимых субстратов на кислород, а также протонов, поставляемых матриксом митохондрий. При транспорте падает редокс-потенциал, что сопровождается высвобождением заключённой в субстратах тканевого дыхания энергии. Полное восстановление молекулярного кислорода воздуха в дыхательной цепи сопровождается образованием воды.

[ Нескучная Биохимия ] - для умных,но ленивых :D запись закреплена

Дыхательная Цепь Переноса Электронов (как все ее долго ждали :D)

Но Водородики так просто выбежать в межмембранное пространство не могут. Им надо дать хороший энергетический пендель :) Для этого у нас есть бешеные Электроны (мы же их также от субстрата отрываем). Им всегда куда-то надо бежать, что-то делать, и как раз энергию их бесива, пока они скачут от одного белка к другому, мы будем использовать, чтобы выпиннуть Водородики. И специально, чтобы Электроны перебегали последовательно, а не как им взбредется, в мембрану митохондрии встроены для этого белки-переносчики. Встроены они по особому принципу: чем ниже их окислительно/восстановительный потенциал, то есть чем более им пофиг на Электроны, тем лучше они отдают их следующему переносчику. А самый жадный, кому больше всех нужно- это будет молекулярный Кислород в конце Цепи. Все Электрончики он, в итоге, стащит себе. Ну и пожалуйста, бе-бе-бе :D

Теперь давайте посмотрим на этих самых переносчиков) Их делят на 5 комплексов.
Первый- NADH-ДеГидрогеназа. Ну по названию сразу можно сказать «отрывает Водород от NADH”. NADH у нас может прибегать отдельно от фермента, где он работает (видимо, они неплохие друзьяшки), и становиться субстратом для Фермента. Окай, но раз NADH- ДеГидрогеназа забирает Водороды, значит у нее тоже должен быть свой кофермент. Для него это FMN (органическое вещество, которые мы получили из витамина В2. По структуре, это что-то типа недостроенного FAD. Ему до него не хватает нуклеотида и фосфорного остатка). Итак, прибегает NADH, тырим у него 2 Электрона и Водород, а второй Водород берем из матрикса митохондрии (их там всегда достаточно плавает). В этом же ферменте Электроны перебегают на другую Простетическую группу (вы же помните, что это? Ниже есть пост - почитаете:) ), на Fe. Fe там несколько, ибо они входят в состав в виде Железо-Серных белков (то есть атомы Железа соединены с остатками аминокислоты Цистеина в белке). Реакция перекида Электронов такая: Fe 2+ —-> e- + Fe 3+. Итак, Электроны перекинули, Водороды выкинули в межмембранное пространство, чешем дальше :)

Второй комплекс- СукцинатДегидрогеназа. Где мы уже видели этот ферменты? А ну-ка, извилинки подняпрягли :) Да-да, в Цикле Кребса. Помните, где от Сукцината отрывалось два Водорода? Ну так вот как раз наш СукцинатДеГидрогеназа это и делал. Странно, но обычно его как-то оставляют без внимания. Может быть потому что его кофермент FADH2 даст в ЦПЭ только 2 АТФ? Ну это не так круто, как от NADH 3 АТФ, но все же :) В общем, надо об этом подумать)

Следующий наш этап- Электроны от Комплексов 1 и 2 перенести на нового переносчика. И вот тут, ребятули, Вкл внимательность. Ибо наш новый знакомый по своей структуре не белок. Единственное исключение - УбиХинон или кофермент Q. Он присоединяет по очереди по Электрону и Протону, и превращается в ГидроХинон (тупо у него 2 группы =О превращаются в -ОН). Все. Ничего страшного, едем дальше.Третий комплекс- QH2- ДеГидрогеназа. Как вы уже, надеюсь, догадались, и у этого фермента будут свои Простетические группы, места, куда припуливаются Электроны и откуда они перепуливатся дальше :) Итак, куда QH2- ДеГидрогеназа будет присоединять Электроны? Кто тут замешан? Опять Fe? Вот фишечка в том, что у QH2- ДеГидрогеназы Fe для перекида Электронов есть не только в составе FeS- белков, как у Первого комплекса, но в составе Гема. Помните структуру Гема? 4 пиррольных колечка, а в середине, как VIP персона, сидит Fe. Вот этому иону Железа мы и присоединим Электрончик. А у вас возник вопрос, откуда у фермента взялся Гем? Скорее протяните ручку и пожмите ее еще одному новому знакомому - белку Цитохрому. Бывают Цитохромы 3 видов, в зависимости от способности поглощать свет в разных частях спектра. Но давайте проедем физику, суть не в ней :)
Всего у QH2- ДеГидрогеназы 3 Цитохрома: B1, B2 и C1. Делаем анализ данного комплекса: один Электрон от ГидроХинона идет к Цитохрому B1, затем на Цитохром B2. Энергия бегающих Электронов есть, Водород выбросили. Второй Электрон от ГидроХинона перебегает на FeS, который соединен через Цистеин с белковой частью Фермента, а от него на Цитохром С1. И фишечка такая: Электроны на следующий переносчик, Цитохрос С, переносятся только от Цитохрома С1. И тогда куда же девается тот Электрон, который мы отдали B1, а потом B2? А он возвращается к УбиХинону (был ГидроХинон, отдал все, стал УбиХиноном), чтобы тот мог захватить еще Водород. Прикольно да?:D Или вы не поняли? Смотрите: Электрона у нас два. Один отдали, выкинули Водород. Второй отдали, выкинули Водород. Но! Чтобы новый Водород присоединить, УбиХинону нужно вернуть Электрончик. Поэтому дальше в Цепь мы отпускаем только один, а второй будет циркулировать, убегать от УбиХинона и снова возвращаться :) Запомнили? Лучше вам это сделать, потому что медленно, но верно мы ползем дальше :)

Все новополученные Электроны перебрасываются, с QH2-ДеГидрогеназы на мааааленький белочек Цитохром С. Он просто как мостик, чтобы перебросить Электрончики следующему Ферменту :)

Четвертый комплекс- ЦитохромОксидаза. Судя по названию, фермент окисляет Цитохром. Он забирает у Цитохрома С Электрончики, перебрасывает их на свои собственные Цитохромчики, но другого класса, А и А3. (Ремарочка: Вот где какие Цитохромы, надо наверно тупо запомнить, увы, я не каких чудо-закономерностей не нашла :D Просто идут последовательно в Цепи два из класса B, два из C и последние два из A) . Кстати, особенность этого комплекса в том, что у него в составе есть не только Fe из Гема, но и ионы Cu. То есть у него будет такая реакция в переносе Электронов: Cu+ → e- + Cu 2+. Считайте, что ЦитохромОксидаза решила выпендриться своей неординарностью :D

Долго ли, коротко ли, но завершается бешеный побег Электронов по Цепи. Четвертый комплекс перебрасывает их к Кислороду и усе. Никуда дальше они не деваются. То есть у нас был в матриксе Кислород О2 с зарядом нуль, а стал с зарядом -2. Ну те, кто хорошо знают химию, уже догадались, что в таком состоянии Кислород стопудова будет с кем-то соединяться. Мы-то думали, что Кислород просто жадина, и поэтому Электроны дальше не отдает, а ему на самом деле одиноко и он использует их, чтобы сменить заряд, чтобы с ним кто-нибудь соединился. Какая прелесть :D А кого он себе для дружбы присмотрел? Какой продукт у нас часто получается как бэ между прочим? Водичка, други мои. Мы с вами Водороды выпинывали, выпинывали, а они взяли, объединились, и вернулись обратно в матрикс. Как ? А где-то там выше я уже упомянула о чудо-канале у АТФ-синтазы :3
АТФ- синтаза- это последний комплекс нашей Цепи. И самый важный, так как все, что мы до этого делали, то делали для него, как рыцари в Средние Века ради своей прЫнцессы :D Состоит Фермент из двух частей: первая крепит его к мембран и образует канал, через который как раз пробегают Водородики. А вторая часть находится в матриксе. И она очень интересно устроена: состоит из подвижной части, которая работает как пропеллер, и неподвижной головки, которая будет присоединять Фосфат к АДФ. Неподвижная головка состоит из 6 белковых дудулек: 3 альфа и 3 бета. Между этими дудульками прячутся 3 активных центра. В одном к АДФ подбегает Фосфат, в другом они соединяются, и в последнем готовый АТФ выбегает в матрикс. Видите, как все красиво и логично :) А теперь смотрим сам процесс: Побежал через канал Протончик, пропеллер использовал энергию его пробега, чтобы повернуться, засчет поворота изменилась конформация неподвижной головки, где 3 активных центра последовательно из АДФ создают АТФ, присоединяя фосфат. Круто да?:D А потом Водородик под красивую музыку из мелодрамы, соединяется с Кислородом и ураааа, они нашли друг друга :D Все щастливы :)

На один пробегающий в канал Водород, синтезируется 1 АТФ. И здесь уже можно смело рассказывать о такой штуке, как Коэффициент Окислительного Фосфорилирования. Это просто количество Фосфатов, которые вы затратили на синтез АТФ, при пробеге Электронов до Кислорода. Помните, что если донор Водородов NADH, то мы получим 3 АТФ, а если FADH2, то только 2? Теперь вы сами можете объяснить почему :) У нас в Цепи есть три места, где выбрасываются Водороды: от NADH-ДеГидрогеназа, от QH2- ДеГидрогеназа и от ЦитохромОксидазы. В сумме 3 Водорода, да?) Ну и вспомните теперь, что NADH отдает свои Электроны сразу на Первый комплекс, а FADH2 только на Третий. Почему? Потому что СукцинатДегидрогеназа с FADH2 вступает в Цепь, минуя NADH-ДеГидрогеназу, только через Убихинон, перебрасывая Электроны и Водород на QH2-ДеГидрогеназу. Уяснили? Раз FADH2 на Первый комплекс Электроны не отдал, энергию не заплатил, то на выходе и получил только 2 АТФ. А что? Все честно :)

Ну и как-то так, довольно лаконично, мы с вами разобрали Дыхательную Цепь, а то многие дичайше просили :) Извините, что так долго, я не знала с какого бока к ней подобраться :D Читайте, просвещайтесь и не бойтесь новых, кажушихся на первый взгляд, сложных вещей :) Все элементарно, мои Ватсоны, нужно только, как видите, найти свой подход :3
И с праздником вас, кстати :D Не раскисайте на выходных :)

Читайте также: