2 курс / Биохимия / Биохимия Лекции

! За счет энергии реакции III комплекс, как и комплекс I переносит несколько H+ в межмембранное пространство митохондрий.

3 этап: IV Ферментный комплекс – цитохромоксидаза (цитохром-c-оксидаза).

Это сложный олигомерный белок, включающий

2 протомера-гемопротеина: цитохром a и цитохром a3, каждый из которых содержит центр связывания с O2.

Цитохромы a и a3 содержат гем (Fe3+), а также ионы

Cu2+.

Ионы Fe3+ гема, а также ионы Cu2+ участвуют в переносе электронов на O2:

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом Fe в геме цитохрома a3 в форме молекулы O2 (подобно тому, как он связывается с гемоглобином).

Цитохромоксидаза имеет гораздо более низкую Км (т.е. более высокое сродство) к O2, чем Hb, и поэтому клетки «высасывают» O2 из крови.

Электроны от цитохрома c последовательно

присоединяются сначала к ионам Fe3+ цитохромов a и a3, затем к ионам Cu2+ и, затем, попадают на O2.

При этом также происходит присоединение к кислороду H+ из матрикса => образуется

метаболическая вода:

Таким способом в организме человека синтезируется ~ 400 мл метаболической воды в сутки.

Сумм. у-е 3 этапа:

2 цит. с (Fe2+) + ½ O2 + 2 H+ → 2 цит. c (Fe3+) + Н2O

! Работа IV комплекса цитохромоксидазы также сопровождается переносом H+ из матрикса в межмембранное пр-во.

Использование энергии ЦПЭ для синтеза АТФ.

Хемиосмотическая теория П. Митчелла, которая объясняет механизмы сопряжения процессов биологического окисления и фосфорилирования АДФ:

При движении от окисляемого субстрата к кислороду электроны теряют часть своей потенциальной энергии.

Комплексы (I, III и IV) внутренней мембраны митохондрий используют эту энергию электронов для переноса H+ из матрикса в межмембранное пространство митохондрий против градиента концентрации.

Т.е. комплексы ЦПЭ (I, III и IV) работают как протонные насосы, перекачивая H+ из матрикса в межмембранное пр-во митохондрий за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ.

В результате возникает градиент концентрации H+ и градиент «+» заряда – протонный электрохимический потенциал (ΔμH+).

При накоплении в межмембранном пространстве достаточного кол-ва H+, происходит их присоединение к ферменту => изменяется заряд и конформация

фермента.

Это приводит к раскрытию протонного канала АТФсинтазы => H+ переносятся в матрикс по градиенту

концентрации.

Это приводит к активации поверхностной части фермента, кот. катализирует синтез АТФ:

АДФ + H3PO4 → АТФ + H2O

Было установлено, что при переносе электронов через поверхностную часть АТФ-синтазы происходит её вращение по кругу.

И каждый поворот на 120ο приводит к синтезу 1

молекулы АТФ.

! Окислительное фосфорилирование – это способ синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата с использованием энергии протонного электрохимического потенциала (ΔμH+), который

образуется за счет переноса электронов по ЦПЭ. Количество АТФ, которое образуется в результате сопряжения работы ЦПЭ и АТФ-синтазы, оценивается с помощью коэффициента фосфорилирования.

Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О) показывает, какое количество неорганического фосфата затрачивается для фосфорилирования АДФ при использовании 1 атома кислорода на образование 1 молекулы воды.

! Коэффициент окислительного фосфорилирования численно равен количеству моль АТФ, синтезированных в результате окислительной реакции.

Энергия электронов и протонов, перенесенных комплексами ЦПЭ (I, III и IV) от субстратов NAD+- зависимых дегидрогеназ, достаточна для активации АТФ-синтазы и синтеза 3 моль АТФ в расчете на 1 моль дегидрируемого субстрата.

Т.е. для всех субстратов NAD+-зависимых дегидрогеназ Р/О ≤ 3.

Таким образом, дегидрирование 1 моль любого субстрата NAD+-зависимых дегидрогеназ сопряжено с синтезом 3 моль АТФ.

При дегидрировании веществ с участием FADзависимых дегидрогеназ происходит передача протонов и электронов на убихинон без участия комплекса I:

1)DH2 + E-FAD → D + E-FADH2

2)E-FADH2 + Q → E-FAD + QH2

Основной FAD-зависимой дегидрогеназой явл-ся Сукцинатдегидрогеназа.

Это поверхностный белок внутренней мембраны митохондрий (комплекс II).

Сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение сукцината в фумарат, являющееся одной из реакций цикла Кребса:

Сукцинат + E-FAD → Фумарат + E-FADH2

В этом случае на пути электронов от субстрата на O2 только 2 участка переноса H+ в межмембранное пр-во митохондрий (комплексы III и IV)

Таким образом, энергия электронов и протонов, поступивших в ЦПЭ от субстратов FAD-зависимых дегидрогеназ, достаточна для активации АТФ-синтазы и синтеза 2 моль АТФ в расчете на 1 моль дегидрируемого субстрата.

Т.е. для субстратов FAD-зависимых дегидрогеназ (сукцинат, ацил-KoA, глицерол-3-фосфат): Р/О ≤ 2.

Витамин C (аскорбиновая к-та) способна восстанавливать ионы Fe3+ цитохрома c.

При этом Fe3+ принимает - и переходит в Fe2+. e

На пути электронов от цитохрома c на O2 1 участок переноса H+ в межмембранное пр-во (IV комплекс).

В этом случае Р/О ≤ 1.

Коэффициент Р/О показывает только теоретический максимум синтеза АТФ.

На самом деле, для синтеза АТФ используется ~ 4050% энергии ЦПЭ.

Остальная часть энергии выделяется в виде тепла, а также используется для других видов работ клеток:

Распределение энергии, выделяемой в

ходе работы ЦПЭ

Выработка тепла

> 30%

Итак, биологические функции ЦПЭ:

1)Использует энергию окисления субстратов для синтеза АТФ путём окислительного фосфорилирования;

2)Обеспечивает поддержание температуры тела человека.

Дыхательный контроль

Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены.

Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ.

Выполнение клеткой работы с затратой АТФ приводит к уменьшению концентрации АТФ. =>

Происходит накопление АДФ.

Это активирует окисление субстратов и поглощение O2 митохондриями клетки.

Таким образом, клетки реагируют на интенсивность

метаболизма и поддерживают соотношение АТФ/АДФ

на необходимом уровне.

Дыхательный контроль – это зависимость интенсивности поглощения кислорода митохондриями

от концентрации АДФ.

Ингибиторы ЦПЭ.

Ингибиторы ЦПЭ подавляют активность ферментных

комплексов (I, II, III и IV) => происходит замедление

или даже полное прекращение работы ЦПЭ =>

происходит замедление или полное прекращение

синтеза АТФ.

I комплекс: NADH-дегидрогеназа.

Ингибиторы: ротенон и барбитураты (амитал,

аминобарбитал, нембутал, веронал и др.)

II комплекс: FAD-зависимая сукцинатдегидрогеназа. Обратимый конкурентный ингибитор: малонат.

III комплекс: QH2-дегидрогеназа. Ингибитор: Антимицин A.

IV комплекс: Цитохромоксидаза.

Ингибиторы: цианид-ионы (CN–): KCN, HCN и др.;

угарный газ (CO), сероводород (H2S).

Антибиотик олигомицин не ингибирует саму ЦПЭ, но

подавляет окислительное фосфорилирование,

ингибируя АТФ-синтазу.

! При полном ингибировании in vitro любого из

ферментных комплексов, который располагается на

пути переноса электронов от дегидрируемого

субстрата на O2, работа ЦПЭ прекращается и АТФ не

синтезируется.

Примеры:

1) К суспензии митохондрий, где в качестве

окисляемого субстрата использовали малат, добавили амитал Na. Как при этом изменится синтез АТФ?

Т.к. амитал Na ингибирует NADH-дегидрогеназу, которая расположена на пути переноса электронов от малата на O2, то скорость ЦПЭ замедляется =>

замедляется (или прекращается) синтез АТФ.

2) Смесь: малат + амитал + сукцинат.

Р/О ≤ 2, т.к. в этом случае будет окисляться сукцинат,

для которого «не нужна» NADH-дегидрогеназа.

3) Смесь: сукцинат + малонат (избыток).

Синтез АТФ замедляется, т.к. малонат ингибирует сукцинатдегидрогеназу, которая располагается на пути электронов от сукцината на O2.

4) Смесь: сукцинат + малонат + изоцитрат.

Р/О ≤ 3, т.к. в этом случае будет окисляться изоцитрат,

для которого «не нужна» сукцинатдегидрогеназа.

5) Смесь: малат (или сукцинат) + антимицин A.

Синтез АТФ замедляется, т.к. антимицин A

ингибирует QH2-дегидрогеназу, которая располагается

на пути электронов от этих субстратов на O2.

6)Если к 5) смеси добавить витамин C, то Р/О ≤ 1,

так вит. C окисляет цитохром c (в переносе электронов не участвует QH2-дегидрогеназа).

7)CN– независимо от дегидрируемого субстрата

необратимо ингибируют ЦПЭ у человека. Они присоединяются к Fe3+ цитохромоксидазы и

полностью блокируют ЦПЭ.

(CN– – необратимый специфический ингибитор цитохромоксидазы).

Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить H+ из межмембранного пространства митохондрии через внутреннюю мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы => снижается (или даже полностью исчезает) ΔμH+ и замедляется

(прекращается) синтез АТФ.

Это явление называют разобщением тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.