Хемиосмотическое сопряжение

В начале 60 –х годов ХХ века П. Митчелл постулировал несколько важных идей

1. Энергия, высвобождаемая при окислении метаболита, содержится в митохондрии в виде восстанавливающих эквивалентов (-Н, е^-), которые направляются в дыхательную цепь. Здесь электроны проходят но редокс - градиенту переносчиков электронов к своей последней реакции с молекулярным кислородом, в ходе которой образуется вода

2.Комплексы редокс-переносчиков сгруппированы на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов на различные ступени редокс-градиента, используется для выкачивания протонов из матрикса и образования электронов и образования электрохимического потенциала на внутренней митохондриальной мембране.

3. Митохондриальная АТР- синтаза переносит протоны через мембрану. При наличии электрохимического протонного градиента протоны будут двигаться из межмембранного пространства назад в матрикс, при том образуется АТР из ADP

Общая характеристика этапов хемиосмотического процесса

Этот хемиосмотический процесс сопрягает энер­гию окисления метаболитов с производством АТР на внутренней митохондриалыюй мембране. Энер­гия, которая получается в результате окисления пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к образованию NADH и FADH₂ из NAD⁺ и FAD, на­капливается в виде электронов или восстанавли­вающих эквивалентов.

Эти электроны в конце кон­цов соединяются с кислородом для производства АТР в процессе окислительного фосфорилирования.

Когда электроны, запасенные в форме NADH и FADH₂, высвобождаются, они транспортируются по дыхательной цепи, расположенной на внутренней митохондриальной мембране.

Энергия, высво­бождаемая при переходе с одного переносящее комплекса на другой, выкачивает Н⁺ из матрица через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Этот процесс создает на внутренней митохондриальной мембране электрохимический протонный градиент. Теперь концентрация протонов выше в межмембранном пространстве, поэтому протоны перетекают по протонному градиенту (направляемые частично отрицательным зарядом со стороны матрикса) обратно в матрикс. Это приводит в действие мембрано- связанную АТР-синтазу, которая превращает ADP и Рi в АТР.

Цепь транспорта электронов - ЦТЭ

В процессе транспорта электронов от исходного донора электронов SH₂ к терминальному акцептору - О₂ участвуют промежуточные переносчики. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD⁺ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁, С, А, А₃) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы или комплексы.

Комплекс I

В первый комплекс входят НАДН-дегидрогеназа, FMN и FeS - белки, содержащие негеминовое железо. НАДН- зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD+ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода. Переносчиком водорода является кофермент - FMN. В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем через FeS – белки передается на убихинон. Основная функция – перенос электрона с НАДН на убихинон Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство.

Комплекс II

Во второй комплекс входят FAD - зависимая сукцинатдегидрогеназа и FeS белки. FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Основная функция – перенос электрона, полученных при окислении сукцината в цикле Кребса на убихинон

Убихинон

Кофермент Q или убихинон - небелковый компонент - производное изопрена. Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Основная функция -переносчик электронов на цитохромы.

Комплекс III

QН2-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С1. Также в состав этого комплекса входят FeS – белки. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С. Основная функция – перенос электронов на цитохром с Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство.

Цитохром С

Цитохром С - низкомолекулярный гемсодержащий белок, обладающий подвижностью в липидном слое мембраны.

Комплекс IY

В четвертый комплекс входят цитохромоксидаза, цитохромы а, а3 и двухвалентная медь. Основная функция – перенос электронов от цитохрома с до воды. Осуществляет перемещение Н+ в межмембранное пространство.

Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи приведена на рисунке 7.

Рис.7. Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи

Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. В первом случае донорами водорода выступают изоцитрат, a - кетоглутарат, малат, а также пируват и глутамат.

Во втором случае сукцинат, ацил-КоА и a - глицерофосфат. Если процесс начинается с NAD⁺ , то следующим переносчиком будет FMN.

От FMN протоны и электроны переносятся к коферменту Q. FAD - зависимыме дегидрогеназамы переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. Дальше пути электронов и протонов расходятся.

Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃. Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:

Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород.

Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.