2 курс / Нормальная физиология / Физиология_дыхания_Частоедова_И_А_,_Еликов_А_В_

61

липидную часть мембраны от внутренней (матриксной) к наружной

поверхности.

Цитохром c1 расположен в липидном слое ближе к наружной поверхности внутренней мембраны. Имеет молекулярную массу 40000 Д.

Цитохром c относительно легко переходит в водный раствор. Находится на наружной поверхности внутренней мембраны и, очевидно, может выходить в межмембранное пространство. Молекулярная масса цитохрома c 12000 Д

Цитохромы a и a3 образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой.

Этот комплекс пересекает мембрану поперек внешней стороны, где в липидном слое находится цитохром а, до внутренней мембраны, где находится цитохром

а3. Активный центр цитохрома а3 обращен в матрикс. Молекулярная масса цитохромоксидазы около 450000 Д. В отличии от других цитохромов цитохромоксидаза содержит также Cu 2+.

Все цитохромы, будучи гемопротеидами, при переносе электронов подвергаются обратимому окислению-восстановлению путем белок-белковых взаимодействий. При обратимом окислении меняется степень окисления атома железа от Fe 3+ до Fe 2+.

Железосерные белки (FeS) участвуют в переносе электронов и протонов в дыхательной цепи минимум в 2-х участках. Железосерные белки имеют небольшую молекулярную массу порядка 10000 Д. Они содержат негеминовое железо и серу. Семейство этих белков отличается разными окислительными свойствами и значениями редокс-потенциала. Железосерные белки находятся в липидном слое мембраны.

Контрольные вопросы

1.Какие существуют разновидности цитохромов ?

2.В чем отличие различных цитохромов ?

62

5.3.Биологическое окисление

Реакции биологического окисления катализируются ферментами. Об

окислении можно говорить в 3-х случаях:

1.Отщепление водорода от окисляемого субстрата;

2.Потеря электронов (например, Fe 2+ меняет валентность на Fe 3+);

3.Присоединение к субстрату кислорода.

Все три типа реакций имеют место быть в живой клетке.

Процесс окисления непременно сопряжен с процессом восстановления. Оба вещества - окисляемое и восстанавливаемое образуют окислительно-

восстановительную пару или редокс-пару.

Для того чтобы численно отобразить окислительно-восстановительные свойства редокс-пары, введено понятие редокс-потенциал, которые приведены в таблице 5.

Таблица 5

Окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем

дыхательной цепи (в изолированном состоянии, рН 7,0)

63

В качестве нулевого стандарта принят редокс-потенциал газообразного водорода при давлении 101,3 кПа (1 атм), концентрации ионов Н+ в растворе 1,0

моль/л, т.е. при рН=0, температуре 25°С. Стандартный редокс-потенциал этой окислительно-восстановительной пары согласно уравнению:

Н2 2Н+ + 2е-, условно принят за 0 (нуль).

Обращаем внимание, что этот нуль не абсолютный, а относительный, точно также как 0°С (температура может быть выше 0°С, а может быть ниже). Чем меньше редокс-потенциал, тем ярче у данной редокс-пары выражены восстанавливающие свойства, чем выше - тем окислительные. Отрицательный редокс-потенциал говорит о том, что у данной редокс-пары в большей степени,

чем у газообразного водорода, выражены восстанавливающие свойства,

положительный редокс-потенциал, что окислительные.

Обращаем внимание, что компоненты дыхательной цепи расположены по градиенту редокс-потенциала.

Контрольные вопросы

1.В каких случаях говорят о реакции биологического окисления ?

2.Какой редокс-потенциал принят в качестве нулевого стандарта?

3.Чему равна величина редокс-потенциалы компонентов цепи переноса электронов ?

5.4.Строение митохондрий

Митохондрии обычно имеют форму цилиндра с закругленными концами,

длиной 1-4 мкм и поперечником 0,3-0,7 мкм. Однако в разных клетках размеры и форма митохондрий могут быть различными. Количество митохондрий в разных клетках также различно: например, сперматозоид содержит 100-200

митохондрий, а гепатоцит - до 2000.

64

Митохондрии имеют внешнюю и внутреннюю мембраны - вроде мешка в мешке. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки - кристы.

содержимое пространства, ограничиваемого внутренней мембраной, называют матриксом (рис. 19).

Внешняя и внутренняя мембраны сильно различаются по составу, свойствам и функциям. Внешняя мембрана свободно проницаема для молекул с молекулярной массой примерно до 5000, в то время как проницаемость внутренней мембраны ограничена и избирательна: она определяется наличием специфических транспортных систем. Вследствие этого химический состав межмембранного пространства мало отличается от состава цитоплазмы, тогда как состав матрикса существенно иной. Ферментный состав разных частей митохондрий существенно отличается.

Рис.19 . Строение митохондрий

Локализация некоторых ферментов в митохондриях

(ферменты-маркеры)

Наружная мембрана:

моноаминоксидаза;

система удлинения жирных кислот;

65

холинфосфотрансфераза;

фосфолипаза А;

кинуренингидроксилаза.

Матрикс:

ферменты цикла Кребса (кроме сукцинатдегидрогеназы);

глутаматдегидрогеназа;

аспартатаминотрансфераза;

первые два фермента синтеза мочевины;

фосфоенолпируваткарбоксилаза.

Межмембранное пространство:

аденилаткиназа;

нуклеозиддифосфаткиназа.

Внутренняя мембрана:

НАД·Н-дегидрогеназа;

сукцинатдегидрогеназа;

цитохромы b, c1, c, a, a3;

Н+-АТФ-синтетаза;

карнитинацилтрансфераза;

АДФ-АТФ-транслоказа;

фосфаттранслоказа;

глутамат-аспартаттранслоказа;

глутамат-ОН--транслоказа;

пируваттранслоказа;

малат-цитраттранслоказа;

малат-б-кетоглутараттранслоказа;

в-оксибутиратдегидрогеназа.

66

Контрольные вопросы

1.Каково строение митохондрий ?

2.Какие ферменты являются маркерами внутренней и наружной мембран митохондрий ?

3.Какие ферменты являются маркерами матрикса и межмембранного пространства митохондрий ?

5.5.Принципы функционирования дыхательной цепи

Дыхательная цепь представляет собой конвейер по переносу вначале водорода, а потом электронов на кислород с постепенным освобождением энергии и аккумулированием ее в макроэргических связях АТФ. Работа дыхательной цепи подчиняется двум основным принципам:

1. Движущей силой дыхательной цепи является градиент редокс-потенциала. В

начале полной цепи переноса электронов, там, где находится окислительно-

восстановительная пара НАДН·Н+ / НАД+ редокс-потенциал сотавляет -0,32В. В

конце дыхательной цепи, там, где окислительно-восстановительная пара ½ О2 /

Н2О редокс-потенциал составляет + 0,82 В. В силу градиента редокс-

потенциала вначале водород, а потом электроны перемещаются от начала к концу дыхательной цепи.

2. Вещество с меньшим редокс-потенциалом, вещество с большим редокс-

потенциалом может только восстановить, но ни коем случае не окислить. И

наоборот, вещество с большим редокс-потенциалом, вещество с меньшим редокс-потенциалом может только окислить, но ни коем случае не восстановить. Отсюда однонаправленное движение вначале водорода, а потом электронов от начала к концу дыхательной цепи.

Структура дыхательной цепи представлена на схеме 10. Цепь переноса электронов может быть полная и укороченная. При работе полной дыхательной

67

цепи субстраты окисляются через НАД-зависимые дегидрогеназы передают на

НАД·Н-дегидрогеназа (комплекс I), а от туда на КоQ, образованием КоQ-Н2.

68

Как уже было сказано компоненты цепи переноса электронов расположены по градиенту редокс-потенциала. Там где перепад редокс-

потенциала между двумя окислительно-восстановительными парами составляет

0,2 В и более, дыхание сопрягается с фосфорилированием и из АДФ и неорганического фосфата синтезируется молекула АТФ. При работе полной дыхательной цепи имеются три пункта сопряжения дыхания и фосфорилирования: 1-й - между НАД·Н-дегидрогеназой и КоQ; 2-й - между цитохромами b и c и 3-й - между цитохромами а и а3. При этом образуются из АДФ и неорганического фосфата 3 молекулы АТФ по уравнению:

АДФ + Н3РО4 АТФ + Н2О

Следует обратить внимание, что на стадии образования КоQ-Н2 сливаются два потока атомов водорода, вводимых в дыхательную цепь НАД-зависимыми

и ФАД-зависимыми дегидрогеназами.

Затем в дыхательной цепи пути электронов и протонов расходятся. Перенос электронов осуществляется с помощью цитохромов. Атом железа в геме может

менять валентность, присоединяя или отдавая электрон:

Комплекс цитохромов b и c функционирует как QH2-дегидрогеназа, т.е.

Электроны последовательно проходят через атомы железа цитохромов b и с1, а

затем поступают на цитохром с; протоны при этом освобождаются в раствор.

Стехиометрический коэффициент 2 перед символом цитохрома обусловлен тем, что с КоQ-H2 передаются два электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону.

Комплекс цитохромов а и а3 действует как цитохромоксидаза (цитохром-с-

оксидаза). Цитохромоксидаза, помимо гема, содержит ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов меняя валентность:

Это комплекс цитохромов переносит электроны с цитохрома с на кислород:

2с (Fe 2+) + ½ О2 2c (Fe 3+) + O2-

Электроны последовательно присоединяются к ионам железа цитохромов а и а3, затем к иону меди и, наконец, попадают на кислород.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома а3 в форме молекулы О2 (подобно тому, как он связывается с гемоглобином). Затем каждый из атомов молекулы О2

последовательно присоединяет по два электрона и по два протона, превращаясь в молекулу воды:

О2 + 4e- + 4Н+ 2Н2О

Укороченная дыхательная цепь предназначена для субстратов, которые не могут окисляться через НАД-зависимые дегидрогеназы, вследствие того, что их редокс-потенциал больше чем у окислительно-восстановительной пары НАДН·Н+ / НАД+. Например, редокс-потенциал у янтарной кислоты

(сукцината) составляет -0,01 В. Подобные субстраты окисляются ФАД-

зависимыми дегирогеназами. Образующийся при этом ФАДН2 передает водород непосредственно на КоQ, с которого он далее передается на цепь цитохромов. Поскольку в этом случаи в работе не участвует I комплекс, то в ходе дыхательной цепи образуется не 3, а 2 молекулы АТФ. Следует также отметить, что при работе укороченной дыхательной цепи эти 2 молекулы АТФ образуются быстрее, чем 3 при работе полной цепи. В некоторых случаях это бывает важно, когда энергию требуется получить быстро.

Таким образом, через дыхательную цепь атомы водорода пищевых веществ достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. В организме человека в результате тканевого дыхания образуется 300-400 мл воды за сутки

(метаболическая вода).

70

Контрольные вопросы

1.Каким принципам подчиняется работа дыхательной цепи ?

2.Какова структура митохондриальной дыхательной цепи ?

3.Какие существуют основные компоненты цепи переноса электронов ?

4.Как работает полная и укороченная дыхательная цепь ?

5.6. Дыхательный контроль

Зависимость дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Суть процесса сводится к тому, что АДФ активирует работу дыхательной цепи, а АТФ ингибирует. Этот механизм регуляции имеет очень важное значение, так в результате его действия скорость синтеза АТФ определяется потребностью клетки в энергии: при увеличении расходования АТФ в клеточных процессах, увеличивается концентрация АДФ, что автоматически приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Можно сказать, что темп работы митохондриям задается фактическими затратами АТФ.

Механизм дыхательного контроля отличается высокой чувствительностью и точностью, поэтому относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой (т.е.

частота оборотов цикла АДФ-АТФ) может изменяться в десятки раз.

Контрольные вопросы

1.Что такое дыхательный контроль?

2.В чем заключается механизм дыхательного контроля ?