4. Структура дыхательной цепи. Митохондрии.

Дыхательная цепь состоит из переносчиков электронов, сгруппирован-ных в 4 ферментативных комплекса, и ферментов. Особенность переносчи-ков электронов дыхательной цепи в том, что каждый способен принимать электроны от предыдущего и отдавать последующему. Прием и передача электронов молекулами переносчиков происходит упорядоченно в соответ-ствии с их окислительно-восстановительными (редокс) потенциалами. Каждая митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран; между ними — межмембранное пространство. Отграниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом. В матриксе содержатся большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса, протекает окисление жирных кислот, располагаются митохондриальные ДНК,РНК и рибосомы. Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности. Наружная мембрана митохондрий имеет маленькие отверстия, образованные специальными белками, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы. Внутренняя мембрана таких отверстий не имеет; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

5.Регуляция дыхательной цепи.

Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль).

Механизм регуляции образования и потребления АТФ называют дыха-тельным контролем. Повышение расхода АТФ ведет к увеличению концен-трации АДФ и ускоряет интенсивность движения электронов по дыхательной цепи. Если АТФ в клетке не используется, то увеличивается еѐ внутрикле-точная концентрация и интенсивность движения электронов по дыхательной цепи замедляется, при этом концентрация молекул АДФ в митохондриях низкая, энергия электронов преобразуется в основном в электрохимический мембранный потенциал, митохондрия в таком случае напоминает заряжен-ный конденсатор. Происходит замедление работы Н+-АТФ-синтазы. Тормо-жение этого фермента вызывает замедление электронного переноса в дыха-тельной цепи, поскольку НАДН не может быть окислен в НАД+. Возникаю-щее высокое соотношение НАДН/НАД+ тормозит цикл трикарбоновых кислот и окисление субстратов. В основе дыхательного контроля тесная функ-циональная связь между движением электронов по дыхательной цепи и син-тезом АТФ. Процесс окислительного фосфорилирования регулируется соот-ношением АТФ/АДФ. Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму пере-носится ферментами транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс переносится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кис-лоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфата тормозит синтез АТФ. Скорость окислительного фосфорилирования зависит в первую оче-редь от содержания АТФ, чем быстрее она расходуется, тем больше накапли-вается АДФ, тем больше потребность в энергии и, следовательно, активнее идет процесс окислительного фосфорилирования. Регуляцию скорости окис-лительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют ды-хательным контролем.

6.

Терморегуляторная функция тканевого дыхания.

Около 55 % энергии полного расщепления глюкозы аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и использу- ется для обеспечения функций клетки или пластичных процессов в ней. Остальная часть энергии является непосредственным источником теплообра- зования. Несопряженное дыхание выполняет важную терморегуляторную функцию. Оно обеспечивает поддержание температуры тела на более вы- соком уровне, чем температура окружающей среды. Степень сопряженности дыхания и фосфорилирования в клетках является регулируемым процессом, связанным с состоянием митохондрий. В патологических условиях митохон- дрии могут длительное время находиться в набухшем состоянии. Это стиму- лирует гликолиз. При действии холода организм нуждается в срочной моби- лизации тепла, которая происходит путем разобщения окислительного фос- форилирования и свободного окисления. При таком разобщении энергетиче- ский обмен клетки направляется в сторону повышенного образования тепла за счет временного снижения специфической функции клетки.

В норме интенсивность митохондриального транспорта электронов ре- гулируется содержанием АДФ. Выполнение клеткой функций с затратой АТФ приводит к накоплению АДФ, который в свою очередь активирует тка- невое дыхание, осуществляя таким образом дыхательный контроль, что поз- воляет клеткам правильно реагировать на интенсивность клеточного метабо- лизма и поддерживать запасы АТФ на необходимом уровне. За счет наличия дыхательного контроля возможна терморегуляторная функция тканевого ды- хания: процессы разобщения тканевого дыхания и окислительного фосфори- лирования приводят к повышению температуры тела. Благодаря этому эво- люционно стало возможным поддержание оптимальной температуры тела, для протекания всех жизненно важных биологических процессов и незави-46

симость от условий окружающей среды. Однако без дыхательного контроля разобщение между процессами тканевого дыхания и окислительного фосфо-рилирования могут привести к необратимому повышению температуры тела и гибели организма. 7. Первичные акцепторы водорода .Первичные акцепторы водорода окислительно-восстановительных реакций относят к 2 типам дегидрогеназ: никотинамвдзависимым, содержащим в качестве коферментов производные никотиновой кислоты, и флавинзависимым, содержащим производные рибофлавина .

Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD⁺ или NADP⁺ (см. раздел 2). NAD⁺ и NADP⁺ - производные витамина PP. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид.

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD⁺. Они катализируют реакции типа:

R-CHOH-R₁ + NAD⁺↔ R-CO-R₁ + NADH + Н⁺.

Таким образом, NAD⁺, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ. NADPH не является непосредственным донором электронов в ЦПЭ, а используется почти исключительно в восстановительных биосинтезах . Однако возможно включение электронов с NADPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы, катализирующей реакцию:

NADPH + NAD⁺ ↔ NADP⁺ + NADH.

8. Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В₂. Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система.

FAD служит акцептором электронов от многих субстратов в реакциях типа:

R-CH₂-CH₂-R₁ + Е (FAD) ↔ R-CH=CH-R₁ + Е (FADH₂),

где Е - белковая часть фермента.

Большинство FAD-зависимых дегидрогеназ - растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Исключение составляет сукцинат-дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. К FMN-содержащим ферментам принадлежит NADH-дегидрогеназа, которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она окисляет NADH, образующийся в митохондриальном матриксе.

9. Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах организмов. В клетках эукариотов они локализованы в митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30 различных цитохромов. Все цитохромы в качестве простетической группы содержат гем . Их многообразие обусловлено:

• различием боковых цепей в структуре тема;

• различием в структуре полипептидных цепей;

• различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в определённой части спектра все цитохромы делят на группы а, b, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (b, b₁, b₂ и т.д.).

Структурные особенности разных видов цитохромов определяют различие в их окислительно-восстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а₃, b, с, с₁). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) состоит из 2 цитохромов типа аа₃ каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а₃ имеют характерную железопорфириновую простетическую группу, называемую гемом А и отличающуюся от гема цитохромов с и c₁. Он содержит формильную группу вместо одной из метальных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп. Другая особенность комплекса а-а₃ - наличие в нём ионов меди, связанных с белковой астью в так называемых CuA-центрах. Перенос электронов комплексом а-а₃ включает реакции:

Cu⁺ ↔ Cu²⁺ + e, Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ + e.

Комплекс цитохромов а-а₃ непосредственно реагирует с молекулярным кислородом.

10. Окислительное фосфорилирование — синтез АТФ за счет энергии электронов мигрирующих по дыхательной цепи. Также окислительным фос-форилированием называют синтез АТФ за счет энергии трансмембранного электрохимического потенциала. Электрохимический потенциал является ре-зультатом переноса протонов из митохондриального матрикса в межмем-бранное пространство. Перенос протонов обусловлен движением электронов по дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование состоит из двух независимых, но функционально тесно связанных процессов:

 перенос электронов по дыхательной цепи, который катализируют фер-ментативные комплексы (от НАДН или QН2 к молекулярному кислороду), из-за высокой разности в электрохимических потенциалов доноров электро-нов (НАДН и QН2) и акцептора (О2) этот процесс является высоко экзергони-ческим и большая часть выделяющейся энергии используется для создания протонного градиента;

 синтез АТФ с помощью ферментативного комплекса (комплекс V), называемого протон-транспортирующая АТФ-синтаза, фосфорилирование АДФ с образованием АТФ процесс эндергонический, при этом используется энергия уже созданного протонного градиента.

Коэффициент Р/О (коэффициент окислительного фосфорилирова-ния) является мерой эффективности дыхания как поставщика энергии для синтеза АТФ. Коэффициент Р/О (или Р/2е-) численно равен отношению ко-личества синтезированного АТФ к количеству атомов потребленного кисло-рода. Чем выше коэффициент, тем больше синтезируется АТФ в расчете на каждые 2 моль перенесенных электронов. В случае полной дыхательной цепи Р/О близок к 2,5 и в случае укороченной к 1,5. 11. Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма энергии при окислительном фосфорилировании

Преобразование энергии электронов в энергию АТФ происходит в два этапа.

На первом энергия электронов преобразуется в энергию протонного градиента. Концентрация протонов в межмембранном пространстве больше чем в матриксе митохондрии. Поскольку каждый протон несет положитель-ный заряд, вследствие этого появляется разность потенциалов по обе сторо-ны мембраны. В совокупности электрический и концентрационный градиен-ты составляют электрохимический потенциал (ΔμН+). ΔμН+ - Источник энер-гии для синтеза АТФ. Активный транспорт протонов происходит в трех участках дыхательной цепи, в ферментативных комплексах I, III и IV (рис. 21). Эти участки часто называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, хотя правильнее считать пунктом сопряжения окисления (дыха-ния) и фосфорилирования комплекс V, в котором синтезируется АТФ.

На втором этапе синтезируется АТФ.

Синтез АТФ. Фермент Н+-транслоцирующая АТФ синтаза (комплекс V) состоит из двух крупных белковых комплексов, каждый из которых по-строен из многих субъединиц. В структуре этого фермента выделяют про-тонный канал (Fо) и каталитическую часть фермента (F1) содержащую три активных центра. В каждый из активных центров поступают молекулы АДФ и неорганического фосфата (Ф). Протонный канал пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану, а каталитическая часть фермента представляет собой крупное грибовидное образование, обращенное в сторону матрикса. Ультразвуковая обработка интактных (неповрежденных) митохондрий вызы-вает остановку синтеза АТФ, поскольку каталитическая часть фермента F1 отделяется от протонного канала. При этом поступление потока протонов из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс не нарушается.

Под действием потока протонов по каналу каталитическая часть АТФ синтазы (F1) вращается вокруг устья канала. Синтез АТФ проходит три ста-дии:

1) поступление АДФ и неорганического фосфата (Pi) в каталитический центр,

2) поворот на 120о и сжимающая деформация каталитического центра, сближающая отталкивающиеся группы остатков фосфорной кислоты; на этой стадии происходит образование АТФ и молекулы воды,

3) поворот на 120о и освобождение из активного центра молекулы АТФ.

Затем следует поворот на 120о АТФ синтазы и в освободившийся ката-литический центр поступают новые молекулы АДФ и Pi (неорганического фосфата) 12. Разобщение дыхания и фосфорилирования Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH₂возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается. Как правило, разобщители - липофильные вещества, легко проходящие через липидный слой мембраны. Одно из таких веществ - 2,4-динитрофенол, легко переходящий из ионизированной формы в неионизированную, присоединяя протон в межмембранном пространстве и перенося его в матрикс. Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма тема, тироксин - гормон щитовидной железы. Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.

13. Нарушения энергетического обмена. Гипоэнергетические состояния Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов жизнедеятельности. Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов, регенерации нервных клеток, поддержания необходимого градиента Na⁺ и К⁺, для проведения нервного импульса; почки используют АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в печени происходит синтез гликогена, жиров, белков и многих других соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа, необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в покое потребляют незначительные количества АТФ, но при физической нагрузке эти потребности возрастают в десятки раз. Вместе с тем запасов АТФ в клетках практически не существует. Так, в условиях прекращения синтеза АТФ в миокарде его запасы истощаются за несколько секунд. Как мы уже знаем, для постоянного синтеза АТФ клеткам необходим приток метаболитов как субстратов дыхания и кислорода как конечного акцептора электронов в реакциях окисления, сопряжённых с синтезом АТФ. Нарушения какого-либо этапа метаболизма, приводящие к прекращению синтеза АТФ, гибельны для клетки. Состояния, при которых синтез АТФ снижен, объединяют термином "гипоэнергетические". Причинами гипоэнергетических состояний могут быть голодание, гиповитаминозы В₁, РР, В₂; гипоксия. Гипоксия может возникнуть: при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе; при заболеваниях лёгких и нарушении лёгочной вентиляции; при нарушениях кровообращения, вызванных заболеваниями сердца, спазмом и тромбозом сосудов, кровопотерей. Причинами гипоксии могут быть также наследственные или приобретенные нарушения структуры гемоглобина . Частой причиной гипоэнергетических состояний могут быть нарушения процессов использования кислорода в клетках. Причинами этих нарушений могут быть:

• действие ингибиторов и разобщителей в ЦПЭ;

• железодефицитные анемии;

• снижение уровня гемоглобина и других железосодержащих белков (цитохромов, FeS-белков), в результате чего нарушаются перенос электронов и синтез АТФ;

• наследственные дефекты ферментов ЦПЭ и цитратного цикла