СТРОЕНИЕ НАД (Н-никотинамид, А-аденин, Д-динуклеотид)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
NH2 |
||||
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
O |
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
O |
|
|
P |
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH OH |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
CH2 |
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
O |
|
|
P |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
CH2O |
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
OH |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
P |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Главную роль в механизме окисления играет никотинамид (витамин РР), который может существовать в двух резонансных формах. В первой форме избыточный (+) заряд у азота. В результате смещения электронной плотности к N+ у атома углерода в пара-положении появляется избыточный (+) заряд и свободная валентность. Такая частица называется карбкатион. К свободной валентности от окисляемого субстрата присоединяется атом водорода (протон и электрон), а к положительному заряду – электрон, т.е. молекула водорода в присутствии карбкатиона подвергается гетеролитическому разрыву на гидрид-ион (протон и 2 электрона) и протон. Гидрид-ион присоединяется к НАД, а протон остается в матриксе митохондрий, подкисляя его.
Механизм окисления субстрата с участием НАД-зависимых дегидрогеназ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н+ и 2ē– |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидрид-ион |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ē |
Н |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
± |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
H |
|
|
|
|
|
|
CONH2 |
|
|
CONH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CONH2 |
|||||||||||
S |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
S+ |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Н+ |
||||||||
|
+- |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
N |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
протон |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
R |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Карбкатион |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДН- |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
восстановленный |
||||||||
111
Субстрат, отдав гидрид-ион НАД+ а протон в среду, окислился. НАД+ присоединив гидрид-ион, восстановился. Восстановленный НАД отщепляется от своего апофермента и подходит к внутренней мембране митохондрий, где окисляется вторым участником полной дыхательной цепи.
Если окисление субстрата происходило в цитозоле, образовавшийся НАДН попадает в митохондрии с помощью специальных челночных механизмов, т.к. мембраны митохондрий не проницаемы для НАДН.
2. Окисление НАДН ФМН-зависимыми дегидрогеназами.
ФМН-зависимые дегидрогеназы расположены во внутренней мембране митохондрий. Это сложные ферменты, содержащие в качестве простетической группы ФМН и FeS (железосерные)-
центры. Субстратом для них служит НАДН, поэтому по субстрату их называют НАДН-дегидрогеназы.
СТРОЕНИЕ ФМН (Ф-флавин, М-моно, Н-нуклеотид (флавин + рибитол – вит В2,
рибофлавин))
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
H |
|
H |
|
|
|
OH |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
C |
|
C |
|
CH2O |
|
P |
|
|
O |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
OH |
OH |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
N |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
8 |
|
9 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
2 C |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
CH3 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
5 |
|
10 |
|
4 |
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
N |
|
C O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Главную роль в окислении НАДН играет изоаллоксазиновое кольцо флавина, где по месту разрыва двойных связей у атомов N в 1 - ом и 10-ом положении могут присоединяться атомы водорода.
Механизм окисления НАДН НАДН-дегидрогеназой
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
H |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CH |
|
|
|
|
N |
N |
|
|
|
O |
+ НАДН |
CH |
|
|
|
|
N |
|
N |
O |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
CH |
3 |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
NH |
НАД+ |
CH |
3 |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
NH |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
10 |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
O |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ФМН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ФМН Н2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
НАДН, отдавая гидрид-ион на ФМН-зависимую дегидрогеназу, |
|
||||||||||||||||||||||||||
окисляется, а ФМН, присоединив гидрид-ион и протон из матрикса,
112
восстанавливается. Окисленный НАД может присоединиться к апоферменту НАД-зависимых дегидрогеназ и окислять новую молекулу субстрата. Железосерные центры, входящие в состав ФМН-зависимых дегидрогеназ, благодаря способности Fe менять свою степень окисления с Fe3+ на Fe2+, являются переносчиками электронов, но не могут присоединить к себе протоны. Следовательно, на этапе FeS-центров происходит разделение потока протонов и электронов, т.е. далее по цепи переносятся только электроны, а протоны на этом этапе
выталкиваются в межмембранное пространство (ММП). До FeS -
центров протоны и электроны переносились вместе в виде гидрид-иона.
ФМНН2 + Fe3+S → ФМН + Fe2+S ↓ Н+ в ММП
ФМНН2, отдав электроны железу FeS-центров, а протоны в ММП, окисляется, FeS-центры, присоединив электроны – восстанавливаются.
3. Окисление FeS-центров убихиноном.
Убихинон или кофермент Q (quinone – Q – уби-вездесущий) найден практически во всех клетках. Это жирорастворимый хинон с длинной изопреноидной боковой цепью. Это единственный переносчик в цепи, не являющийся белком, он легко двигается в липидном слое мембраны. Убихинон выполняет коллекторную функцию, собирая восстановительные эквиваленты не только от НАДН-дегидрогеназ (полная дыхательная цепь), но и от ФАД-зависимых дегидрогеназ (укороченная дыхательная цепь).
Строение убихинона, механизм окисления
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe2+ + |
H3C |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Н+ + |
ē |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
H3C |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
(CH2 |
|
CH |
|
|
C |
|
CH2)nH |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окисленная форма (хинон) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Fe3+ + |
H3C |
|
|
|
|
|
CH |
3 |
|
Н+ |
+ |
ē H3C |
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
CH3 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
H3C |
O |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
H3C |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
R |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Семихинон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гидрохинон |
|
|
|
|||||||||||||||||||
Убихинон может присоединять 1 электрон к своему О2 от Fe2+, кислород становится электроотрицательным и присоединяет протон из матрикса, образуется семихинон. Однако убихинон может присоединять
113
и 2 электрона, т.е. участвовать в двухэлектронном переносе, образуя гидрохинон.
Когда электроны от железосерных центров ФМН-зависимых дегидрогеназ переходят на убихинон, ФМН-зависимые дегидрогеназы окисляются, убихинон восстанавливается. Подчеркнем, что убихинон от восстановленных НАДН-дегидрогеназ присоединяет только электроны через железосерные центры. Протоны, которые присоединились к убихинону, происходят из матрикса (возможно из внутренней мембраны митохондрий).
4. Окисление восстановленного убихинона цепью цитохромов.
|
CH2 |
|
|
|
CH |
|
CH3 |
|
|
CH |
|
H C |
N |
N |
CH CH2 |
3 |
|
|
|
|
CH |
Fe |
CH |
|
|
|
|
H3C |
N |
N |
CH3 |
|
|
CH |
|
|
CH2 |
|
CH2 |
|
CH2 |
|
CH2 |
|
COOH |
|
COOH |
|
|
|
Цитохромы это железосодержащие белки, окрашенные в красный или коричневый цвет. Они относятся к гемпротеинам, т.е. Fe входит в структуру гема. Они способны переносить электроны. Существуют 3 класса цитохромов: а, в, с, различающихся по спектрам поглощения. В дыхательной цепи они располагаются в порядке возрастания редокс-потенциала:
в→ с1 → с→ аа3 → О2
Входе переноса электронов атом Fe находится то в восстановленной форме Fe2+, то в о кисленной – форме Fe3+. Группа гема, как и FeS-центра переносит только 1 электрон в отличие от НАД, флавина и убихинона, переносящих по 2 электрона. Таким образом, восстановленный убихинон переносит свои 2 электрона на две молекулы цитохрома “в”. Fe в цитохроме “в” восстанавливается, убихинон окисляется, протоны убихинона выталкиваются в ММП.
114
Цитохромы отличаются друг от друга строением гема, способом связи гема с белковой частью. Простетической группой цитохромов “в”, “c”, “c1” служит протопорфирин IX (гем), как в миоглобине и гемоглобине, цитохромы а и а3 имеют другую железопорфириновую группу, называемую гем “а”.
Связь гема с белковой частью цитохромов происходит по 5 и 6 координационным связям Fe
Цитохром |
|
5 |
6 |
“в” |
|
Гис |
Гис |
|
|
|
мет, |
“с” |
|
Гис |
ковалентная связь винильных групп |
|
|
|
гема с цис |
“а” |
NН2 |
аминосаха- |
О2, НСN, СО |
|
ра |
||
|
|
|
Все цитохромы прочно встроены в мембрану, исключением является цитохром “c”, который может свободно двигаться в плоскости мембраны, подобно убихинону.
Перенос электронов на О2 цитохромоксидазой. Цитохромы “а” и “а3” являются конечными звеньями дыхательной цепи. Они существуют в виде комплекса – цитохромоксидаза. Она содержит две молекулы гема “a” и 2 атома Cu. Цитохромоксидаза может необратимо ингибироваться цианидами, угарным газом. Она имеет очень высокое средство к кислороду. Это позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан О2.
Цитохромоксидаза забирает 1 электрон от цитохрома “c”. Вначале электрон переносится на окисленное Fe3+ гема “a”, образуется восстановленное Fe2+. Электрон с Fe2+ дальше переносится на окисленную Cu2+. В результате Fe окисляется, а Cu восстанавливается в Cu1+. Сu1+ отдает 1 электрон на О2. При этом Cu окисляется, О2 – восстанавливается. Однако для восстановления О2 нужно 4 электрона, а группы гема являются переносчиками одного электрона. Каким образом четыре электрона “сходятся” для восстановления молекулы О2, пока не установлено.
О2 + 4е + 4Н+ → 2Н2О
Присоединение электрона к О2 сопровождается присоединением протонов, которые возвращаются в матрикс из ММП через канал АТФсинтазы.
115
Неполная (укороченная дыхательная цепь). В ней окисляются субстраты 1 рода. Первым звеном дыхательной цепи являются ФАДзависимые дегидрогеназы. Это сложные ферменты, содержат
простетические группы ФАД и FeS-центры. По субстрату их называют сукцинатдегидрогеназа, ацилКоА-дегидрогеназа. Они расположены во внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса. Забирая атом водорода от окисляемого субстрата, они переносят электроны через FeS-центры на убихинон и далее цепь цитохромов, а протоны остаются в матриксе.
СТРОЕНИЕ ФАД (Ф-флавин, А-аденин, Д-динуклеотид)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
N |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
CH2 |
|
|
CHOH |
|
CHOH CHOH CH2O |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
H3C |
|
|
N |
|
N |
|
O |
|
|
P |
|
O |
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H3C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
N |
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH OH |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
6. Структурная организация дыхательной цепи
Компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану в виде четырех белковых комплексов. Цитохром “c” и убихинон, будучи относительно мобильными компонентами дыхательной цепи, осуществляют связь между фиксированными комплексами.
Ферментные комплексы цепи переноса электронов
|
НАДН – |
|
|
|
|
QН2 – |
|
|
|
|
|
НАДН+H+→ |
→Q→ |
→цито→ |
Цитохром- |
→½О2 |
|||||||
|
|
|
оксидаза |
||||||||
|
дегидрогеназа |
дегидрогеназа |
хром с |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
III |
|
|
IV |
|
|
|
Сукцинат: |
|
дегидрогеназа |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
||
116
Состав митохондриальных ферментных комплексов цепи переноса электронов
Название комплекса |
Состав |
|
I |
ФМН, FeS-центры |
|
НАДН-дегидрогеназа |
||
|
||
II |
ФАД, FeS-центры |
|
Сукцинатдегидрогеназа |
||
|
||
III |
Цитохромы в; с1, FeS-центры |
|
QН2-дегидрогеназа |
||
|
||
IV |
Цитохромы а, а3; Cu2+ |
|
Цитохромоксидаза |
|
Лекция 8
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
1. Определение понятия «окислительное фосфорилирование». Коэффициент окислительного фосфорилирования
В процессе тканевого дыхания от окисляемых субстратов отщепляются протоны и электроны. Они поступают на кофакторы НАД+ и ФАД, которые передают их в дыхательные цепи. Передвигаясь от одного переносчика электронов к другому, электроны опускаются на все более низкие энергетические уровни, отдавая порциями свою энергию. В последнем звене цепи они восстанавливают молекулярный кислород. Освобожденная при переносе электронов по дыхательной цепи энергия запасается в фосфатных связях АТФ.
Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием энергии, освобождающейся при окислении веществ и сопряжен с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.
Окислительное фосфорилирование было открыто в начале 30-х годов XX в. В.А. Энгельгардтом.
Коэффициент окислительного фосфорилирования (К) – это отношение количества неорганического фосфата, потребляемого в процессе дыхания, к количеству кислорода: Р/0, т.е. К показывает число молей АТФ, образующихся из АДФ и Рн на 1 грамм-атом поглощенного О2. Предложен в 1939г. В.А. Белицером.
Экспериментально установлено, что для субстратов, окисляющихся в полной дыхательной цепи (яблочная, пировиноградная, изолимонная кислоты) этот коэффициент равен 3, т.е. синтезируется 3 АТФ
117
на каждый атом О2, а для субстратов неполной дыхательной цепи – (сукцинат) – 2 (соответственно образуется 2 молекулы АТФ).
2. Участки сопряжения в дыхательной цепи
Образование АТФ возможно в тех участках дыхательной цепи, где изменение свободной энергии при переносе электронов превышает изменение свободной энергии гидролиза АТФ, т.е. 30,5 кДж/моль. Этой величине соответствует величина редокс-потенциала 0,22 В. В полной дыхательной цепи есть 3 участка, отвечающих этим требованиям.
Участки сопряжения в полной дыхательной цепи
1.Между НАД-зависимой дегидрогеназой и ФМН-зависимой дегидрогеназой (комплекс I);
2.Между цитохромами «в» и «с» (комплекс III);
3.Между цитохромоксидазой и кислородом (комплекс IV).
Вэтих участках возможен синтез АТФ. Их называют участками сопряжения окисления и фосфорилирования. Здесь расположены ферменты дыхательной цепи (комплексы I, III и IV) и фермент синтеза АТФ
–АТФ синтаза.
Сопряжение дыхания и синтеза АТФ |
|
|
||||||||
Наружная мембрана митохондрии |
|
|
|
|||||||
М |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
Н+ |
+ |
++ |
Н+ |
+ |
+ |
|
Н+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
||||
|
|
2е |
Q |
2е |
|
Цитохром |
IV |
|
||
|
|
|
II2е |
|
|
|
||||
внутренняя |
|
I |
|
III |
|
с |
а а3 |
|
||
мембрана |
ФМН |
ФАД |
|
в, с1 |
|
|
Сu2+ |
|
||
митохондрий |
|
|
|
|
2е |
2е |
|
|
|
|
|
|
- |
- |
- - |
|
- |
- |
|
|
V |
НАДН |
|
НАД + |
Фумарат |
|
1/2О |
|
Н О |
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
Сукцинат |
АДФ+Н3РО4 |
|
|
|
||||
Оксалоацетат |
Малат |
|
|
|
Н+ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
АТФAТФ |
АТФАДФ- |
||
|
|
Матрикс |
|
|
|
|
|
транслоказа |
||
|
|
|
|
|
|
|
(антипорт) |
|||
AДФ
В местах расположения комплексов I, III и IV энергия переноса электронов используется для выкачивания протонов в межмембранное
118
пространство, т.е. возникает электрохимический потенциал (ЭХП). В настоящее время существует неясность в отношении механизма выделения протонов, но его реальное существование не вызывает сомнений. Возвращение протонов обратно в матрикс происходит через канал АТФ синтазы, в этот момент синтезируется АТФ.
При переносе электронов через всю дыхательную цепь от НАДН+Н+ к атому кислорода изменение свободной энергии составляет ~ 220 КДж/моль, а синтезируется 3 АТФ – т.е. 30,5·3=91,5 кДж/моль. Отсюда КПД дыхательной цепи ~ 41%. Остальная часть энергии рассеивается в виде тепла.
КПД полной дыхательной цепи
Энергия окисления субстратов – 220 кДж/моль. Синтез АТФ - 30,5×3=91,5 кДж/моль. 30,5 кДж/моль – нужно для синтеза 1 АТФ; 3 – количество синтезируемой АТФ в ПДЦ.
|
91,5×100 |
||
КПД = |
|
≈41% |
|
220 |
|||
|
|
||
3. Гипотезы механизма окислительного фосфорилирования
Вопрос о механизме окислительного фосфорилирования – это выяснение того, как энергия переноса электронов по дыхательной цепи трансформируется в энергию фосфатных связей АТФ. Для объяснения этого явления было предложено много гипотез, заслуживают внимания
– 3.
1.Гипотеза химического сопряжения. Предложена Липманом, Слейтером, Ленинджером. Она рассматривает окислительное фосфорилирование по аналогии с субстратным фосфорилированием.
Механизм синтеза АТФ на 1 участке сопряжения:
НАДН + ФМН→ ФМН2 + НАД+ НАДН + X→НАД+ +ХН2
ХН2 + Н3Р04→X·Н2·Н3Р04
X·Н2·Н3РО4 + ФМН→ФМН·Н2 + X~Н3Р04
X~Н3Р04 + АДФ→X + АТФ
Макроэрг передается на АДФ и образуется АТФ.
ЕОК→ЕМАКР→ЕАТФ
119
Сторонники этой гипотезы помещают в участки сопряжения гипотетические вещества, которые забирают протоны и электроны от первого участника пункта сопряжения и взаимодействуют с Н3Р04. В м о- мент отдачи протонов и электронов второму участнику пункта сопряжения, связь с фосфатом становится макроэргической.
Недостаток: до сих пор не открыли эти соединения.
2. Механохимическая или конформационная (Грин, Бойер, 60-е годы). Согласно этой гипотезе в процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое, богатое энергией конформационное состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ:
ЕОК→ ЕКОНФ.СДВИГ→ ЕАТФ
И действительно, прямые эксперименты показывают, что митохондрии могут сокращаться и расслабляться; на электронных фотографиях видно, что в покое внутренняя мембрана митохондрий шире, чем в процессе дыхания. Но связано ли это напрямую с синтезом АТФ – не известно.
3. Хемиосмотическая гипотеза Митчелла.
Была сформулирована в 1961 г., многое для ее доказательства сделано В.П. Скулачевым. В 1978 г. Митчелл получил за нее Нобелевскую премию.
Гипотеза опирается на следующие положения:
1.Внутренняя мембрана митохондрий обладает высоким электрическим сопротивлением и очень низкой проницаемостью для протонов и гидроксид-ионов.
2.В ходе дыхания протоны скапливаются в межмембранном пространстве (ММП), т.е. возникает электрохимический потенциал (ЭХП).
3.Протоны могут вернуться в матрикс только через канал АТФсинтазы. В этот момент происходит разрядка мембраны и синтез АТФ.
ЕОК → ЕЭХП → ЕАТФ
Все эти предположения в настоящее время экспериментально доказаны.
Предполагается, что во внутренней мембране митохондрий содержится система ферментов – протонных насосов, приводимых в действие переносом электронов по дыхательной цепи. Используя энергию, выделяющуюся при переносе электронов, насосы выкачивают протоны из матрикса в ММП. В результате наружная сторона мембраны получает (+) заряд. В матриксе митохондрий образуется избыток ОН–, т.е.
120