Биологическое окисление

От двух атомов водорода, которые  переносятся на комплекс III от KoQ, дальше по цепи транспортируются только электроны, два протона (H⁺)комплекс III выбрасывает в межмембранное пространство вместе с еще одной парой протонов, которые подхватываются комплексом из матрикса. Таким образом, комплекс  III в сумме выбрасывает в межмембранное пространство 4 протона. Поэтому комплекс III, как и комплекс I, является протонным генератором, и целью его работы также является создание DmH⁺.

 

КОМПЛЕКС IV.

Комплекс IV называется цитохромоксидазой. Он способен захватывать из матрикса 4 протона. Два из них он отправляет в межмембранное пространство, а остальные передает на образование воды.

 

Благодаря многоступенчатой передаче энергия в дыхательной цепи выделяется не мгновенно, а постепенно (маленькими порциями) при каждой реакции переноса. Эти порции энергии не одинаковы по величине. Их величина определяется разницей между ОВП двух соседних переносчиков. Если эта разница небольшая, то энергии выделяется мало - она рассеивается в виде тепла. Но на нескольких стадиях ее достаточно, чтобы синтезировать макроэргические связи в молекуле АТФ. Такими стадиями являются:

1. НАД/ФАД - разность потенциалов 0.25V.
2. Цитохромы b/cc₁ - 0.18V
3. aa₃/O^-2 - 0.53V.

Значит, на каждую пару атомов водорода, отнятых от субстрата, возможен синтез 3-х молекул АТФ.

АДФ + Ф + ЭНЕРГИЯ -------> АТФ + Н₂О

Макроэргическая связь - это такая ковалентная связь, при гидролизе которой выделяется не менее 30 кДж/моль энергии. Эта связь  обозначается знаком ~.

Синтез АТФ за счет энергии, которая  выделяется в системе МтО, называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. Основная роль АТФ - обеспечение энергией процесса синтеза АТФ.

Для оценки эффективности работы системы  МтО при окислении вычисляют КОЭФФИЦИЕНТ P/O. Он показывает, сколько молекул неорганического фосфата присоединилось к АДФ в расчете на один атом кислорода.

Для главной (полная) цепи Р/О=3 (10H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 3,3 (округляют до 3-х)), коэффициент полезного действия системы - 65%, для укороченной P/O=2 (6H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 2, для максимально укороченной  P/O=1 (4H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 1.

Система МтО потребляет 90% кислорода, поступающего в клетку. При этом в сутки образуется 62 килограмма АТФ. Но в клетках организма содержится всего 20-30 граммов АТФ. Поэтому молекула АТФ в сутки гидролизуется и снова синтезируется в среднем 2500 раз (средняя продолжительность жизни молекулы АТФ - полминуты).

 

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ  АТФ:

1. Синтез различных веществ.

2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na⁺,К⁺-АТФазу.

3. Механическое движение (мышечная работа).

 

СИНТЕЗ АТФ.

Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс – Н⁺-зависимая АТФ-синтаза seu Н⁺-зависимая АТФ-аза (два разных названия связаны с полной обратимостью катализируемой реакции), обладающий значительной молекулярной массой – более, чем 500кДа. Состоит из двух субъединиц: F_O и F₁.

F₁ представляет из себя грибовидный вырост на матриксной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, F_O же пронизывает эту мембрану насквозь. В толще F_O расположен протонный канал, позволяющий протонам возвращаться обратно в матрикс по градиенту их концентраций.

F₁ способна связывать АДФ и фосфат на своей поверхности с образованием АТФ - без затраты энергии, но обязательно в комплексе с ферментом. Энергия необходима лишь для освобождения АТФ из этого комплекса. Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал F_O.

В дыхательной цепи сопряжение абсолютно: ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.

Но при синтезе АТФ  сопряжение одностороннее: окисление  может идти без фосфорилирования, а фосфорилирование без окисления  никогда не идёт. Это означает, что  система МтО может работать без  синтеза АТФ, но АТФ не может быть синтезирована, если не работает система МтО.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИНГИБИТОРЫ ТКАНЕВОГО  ДЫХАНИЯ

К ним относятся вещества, прекращающие работу того или иного комплекса  дыхательной цепи.

Ингибитором комплекса I является яд растительного происхождения РОТЕНОН. Некоторые народности раньше использовали его в рыбной ловле.

Ингибиторами комплекса IV являются ЦИАНИДЫ, угарный газ СО, сероводород H₂S.

ВЕЩЕСТВА-РАЗОБЩИТЕЛИ ПРОЦЕССОВ  ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

Они не прекращают процессов  окисления, но снижают синтез АТФ. Дыхательная цепь работает, а АТФ при этом синтезируется в меньшем количестве, чем в норме. Тогда энергия, получаемая при переносе электронов по цепи МтО, выделяется в виде тепла. Такое состояние, когда происходит окисление субстратов, а фосфорилирование (образование АТФ из АДФ и Ф) не идет, называется РАЗОБЩЕНИЕМ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ. К такому состоянию может приводить действие веществ-разобщителей:

2,4-ДИНИТРОФЕНОЛ, открытый в 1944 году Липманом, при введении в организм повышает температуру тела и понижает синтез АТФ. Это вещество, наряду с другими, открытыми позже, пытались использовать для лечения ожирения, но безуспешно.

Механизм действия веществ-разобщителей становится понятням только с точки  зрения хемиоосмотической теории.

Разобщители являются слабыми кислотами, растворимыми в жирах. В межмембранном пространстве они связывают протоны, и затем диффундируют в матрикс, тем самым снижая DmH⁺.

Подобным действием  обладает и йодсодержащие гормоны  щитовидной железы – тироксин и  трийодтиронин. При состояниях, сопровождающихся гиперфункцией щитовидной железы (например, Базедова болезнь), больным не хватает энергии АТФ: они много едят (нужно большое количество субстратов для окисления), но при этом теряют в весе. Большая часть энергии выделяется в виде тепла.

Схема цепи митохондриального  окисления не раскрывает механизма  образования АТФ путем окислительного фософорилирования. Этот механизм объясняется  гипотезой П.Митчелла.

 

ТЕОРИЯ СОПРЯЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ  И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ПИТЕРА МИТЧЕЛЛА.

 

Известно, что через  мембрану митохондрии могут свободно проникать только небольшие незаряженные молекулы, а также гидрофобные  молекулы. Энергия, которая выделяется при переносе электронов по цепи МтО, приводит к переносу протонов (Н⁺) из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Поэтому на внутренней мембране митохондрий образуется градиент концентраций протонов: в межмембранном пространстве Н⁺ становится много, а в матриксе остается мало. Образуется разность потенциалов 0.14V - наружная часть мембраны заряжена положительно, а внутренняя - отрицательно. Накопившиеся в межмембранном пространстве Н⁺ стремятся выйти обратно в матрикс по градиенту их концентраций, но митохондриальная мембрана для них непроницаема. Единственный обратный путь в матрикс для протонов - через протонный канал фермента АТФ-синтетазы, которая встроена (built-in) во внутреннюю мембрану митохондрий. При движении протонов по этому каналу в матрикс их энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Синтезируется АТФ в матриксе митохондрий.

 

 

После синтеза АТФ  переносится в цитоплазму путем  облегчённой диффузии по градиенту  концентраций, поскольку основные процессы, в которых АТФ потребляется, протекают  в цитоплазме.

Как происходит транспорт  АТФ из митохондрий в цитоплазму?

Для этого используется специфический для АТФ транспортный белок - АТФ/АДФ-транслоказа. Это интегральный белок, локализован во внутренней мембране митохондрий.

Во внутренней мембране митохондрий есть белок-переносчик - АТФ/АТФ-транслоказа, который имеет 2 центра связывания: со стороны матрикса для АТФ, снаружи - для АДФ. При  изменении конформации АТФ/АДФ-транслоказы  АДФ переносится в матрикс, а  АТФ - в межмембранное пространство, а затем - в цитоплазму, где используется.

Для образования АТФ  в матрикс всё время должен поступать неорганический фосфат (Ф). Для этого во внутренней мембране митохондрий есть транспортная система, которая обеспечивает перенос фосфата  в матрикс сопряженно с переносом Н⁺. Это белок-переносчик, который имеет 2 центра связывания: для Ф и Н⁺. Ф и Н⁺ вместе переносятся из межмембранного пространства в матрикс.

Известны некоторые  вещества, которые способны разобщать  процессы окисления и фосфорилирования, приводя тем самым к уменьшению коэффициента р/о. К ним относятся йодсодержащие гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин), а также некоторые ксенобиотики (например, 2,4-динитрофенол). Такие вещества известны под общим названием «РАЗОБЩАЮЩИЕ ЯДЫ». Как действуют вещества-разобщители окисления и фосфорилирования? Они могут образовывать собственные протонные каналы во внутренней мембране митохондрий. Поэтому часть протонов, вместо того, чтобы идти обратно в матрикс по протонному каналу АТФ-синтетазы, уходит туда по каналам веществ-разобщителей. В результате АТФ образуется меньше, и часть энергии выделяется в виде тепла.       

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ СИСТЕМЫ  МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Если клетка организма  находится в условиях покоя, то АТФ мало используется и накапливается. Поэтому снижается концентрация АДФ и Ф. В этих условиях АТФ-синтетаза уже не получает из цитоплазмы достаточно фосфата и АДФ для синтеза АТФ. Её активность понижается, и скорость движения протонов из межмембранного пространства в матрикс по протонному каналу этого фермента тоже падает. Поэтому сохраняется высокий градиент концентраций протонов на внутренней мембране митохондрий. В этих условиях энергии переноса водорода по цепи митохондриального окисления уже не хватает для выталкивания Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство. Перенос водорода по цепи МтО тормозится и прекращается окисление субстратов.

Метаболизм в клетке регулируется отношением АТФ/АДФ. Это  отношение характеризует ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ.

В норме ЭЗК = 0.85-0.90. Может изменяться от 0 до 1. Высокий ЭЗК тормозит синтез АТФ, и активирует использование АТФ (АТФ-------> АДФ + Ф)

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ   РОЛЬ   МИТОХОНДРИАЛЬНОГО  ОКИСЛЕНИЯ

Главная его функция - обеспечение организма запасами энергии в форме АТФ.

Именно митохондрии  поставляют клетке большую часть необходимого ей АТФ.

    В сутки  синтезируется до 62 кг АТФ,  хотя  одновременно в организме никогда   не  бывает  больше  30-40  граммов   этого вещества. Т.е.   наблюдается   очень  быстрое  восстановление расходуемых молекул АТФ.

 

        ВАРИАНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

 

    1. ПОЛНАЯ  ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

    В этой цепи  окисляется небольшое количество  субстратов, из которых главными  являются четыре. Коэффициент Р/О=3.

СУБСТРАТЫ	НИКОТИНАМИДНЫЕ ФЕРМЕНТЫ, ИХ ОКИСЛЯЮЩИЕ
изолимонная кислота (изоцитрат)	Изоцитратдегидрогеназа
Яблочная кислота (малат)	Малатдегидрогеназа
Глутаминовая кислота (глутамат)	Глутаматдегидрогеназа
бета-гидроксиацил-КоА	бета-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа

 

    Все ферменты полной  цепи являются НАД-зависимыми дегидрогеназами.

 

    2. СОКРАЩЕННАЯ  (УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

    Известны два субстрата. Главным из них является сукцинат (янтарная кислота).

Сукцинатдегидрогеназа – это комплекс II, который в укороченном варианте цепи является начальным звеном окисления. В составе комплекса – простетическая группа ФАД и FeS_II. От ФАД^.Н₂ два атома водорода переносятся на KoQ. Значит, первое звено, которое имеется в полной цепи - исключается. Перепад окислительно-восстановительного потенциала между ФАД и KoQ невелик. Поэтому переноса H⁺ в межмембранное пространство в этой точке не происходит. DmH⁺  также создается, но меньший, чем в полной цепи. Значит, меньше и эффективность фосфорилирования - коэффициент Р/О=2.

Аналогичным образом окисляется и  второй субстрат – ацил-КоА (активная форма любой жирной кислоты):

 

 

3. МАКСИМАЛЬНО  СОКРАЩЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ)  ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ.

Она представлена только цитохромной  частью. Эксперименты показали, что здесь может быть окислен только один субстрат - аскорбиновая кислота, с участием фермента, восстановленные эквиваленты включаются в цепь на уровне цитохрома С цитохромоксидазы (цитохром аа₃), но в реальных условиях такого окисления практически не происходит. Образуется вода и 1 молекула АТФ. Коэффициент Р/О=1.