Біоенергетичні процеси: транспорт електронів та окисне фосфорилування в мітохондріях

Біоенергетичні  процеси: транспорт електронів та окисне фосфорилування в мітохондріях

 

Біоенергетичні процеси - біологічне окислення та спряжене з ним окисне фосфорилування – є кінцевою фазою катаболізму молекул у живих організмах, що реалізується складними мультиензимними комплексами внутрішніх мембран мітохондрій. Результатом цих структурованих у біомембранах реакцій є генерація макроергічних зв'язків у молекулі АТФ – основному постачальнику енергії для всіх ендергонічних процесів клітин.

План лекції

 

1. Реакції біологічного окислення

1.1.   Тканинне дихання

1.2.   Типи реакцій біологічного окислення

2. Ферменти біологічного окислення

2.1.   Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних  коферментів

2.2.   Флавінзалежні дегідрогенази

2.3.   Цитохроми

3. Молекулярна організація ланцюга біологічного окислення в  мітохондріях
4. Окисне фосфорилування та АТФ-синтетаза в мітохондріях
5. Інгібітори електронного транспорту та окисного фосфорилування в мітохондріях

 

Реакції окислення та відновлення

 

• Окислення - це процес втрати атомом, що окислюється, електронів або атомів водню(протонів та електронів)
• Відновлення – реакція, зворотна окисленню, - супроводжується приєднанням органічним субстратом електронів або атомів водню.

Прикладом О/В реакції, поширеної  у біологічних системах, є перетворення феро-іона у фери-іон:

Тканинне дихання

 

Реакції біологічного окислення складають  молекулярну основу тканинного дихання – поглинання О2  живими тканинами, яке є інтегральним фізіологічним показником інтенсивності перебігу в них окисно-відновних процесів.

Типи реакцій  біологічного окислення

 

У процесах біологічного окислення, що мають місце в живих  системах, виділяють такі класи реакцій:

1. Реакції, пов'язані з передаванням субстратом, що окислюється(SH2), певному акцептору(А) водню(тобто протонів і електронів):

SH2  + A              S + AH2

         Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх каталізують,- дегідрогеназами

Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють  дегідрогенази, реакції дегідрування поділяють на такі класи:

1.1. Реакції дегідрування, а яких хімічна сполука(R), відмінна від кисню:

SH2 + R              S + RH2

Ферменти, що каталізують  такі реакції, - анаеробні дегідрогенази.

1.2. Реакції дегідрування, в яких  як акцептор використовується  кисень:

 SH2 + О2             S + H2О2

Ферменти, що каталізують ці реакції,- аеробні дегідрогенази, або оксидази; в результаті їх дії утворюється  перекис водню.

 

 

 

2. Реакції, що відбуваються  з передаванням від субстрату  до акцкптора електронів(одного або двох):

Se- + A               S + Ae-

Реакції такого типу каталізуються цитохромами дихального ланцюга мітохондрій.

3. Реакції,  що полягають у безпосередньому  приєднанні до субстрату, який  окислюється, одного або двох  атомів кисню.

     Такі реакції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх каталізують,- оксигеназ. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:

- Монооксигеназні: SH + 1/2O2                S-OH

-Діоксигеназні: S + O2                       SO2

Ферменти  біологічного окислення

 

Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів(НАД(Ф)- залежні дегідрогенази)

Коферментами  цих дегідрогеназ є нуклеотиди:

НАД(нікотинамідаденіндинуклеотид)

 

 

 

 

 

НАДФ(нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат)

 

• Реакції, що каталізуються НАД(Ф)- залежними дегідрогеназами, можуть бути зображені в загальному вигляді такими рівняннями:

• НАД-залежні дегідрогенази – ці ферменти каталізують окислювально-відновлювальні реакції, що містяться на окислювальних шляхах метаболізму – гліколізу, циклу лимонної кислоти, β-окслення жирних кислот, окисного дезамінування амінокислот, дихального ланцюга мітохондрій.
• НАДФ-залежні дегідрогенази – ці ферменти беруть участь у процесах відновлювального синтезу, що відбуваються в цитозолі, зокрема, постачають атоми водню при синтезі жирних кислот та стероїдів. Головним джерелом відновленого НАДФ є дегідрогеназні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози.

Флавінзалежні дегідрогенази

 

• Дегідрогеназами цього типу  за хімічною природою є флавопротеїнами  простетичними групами в яких є флавінаденіндинуклеотид (ФАД) та флавінмононуклеотид (ФАМН).

Загальні рівняння окислення субстратів за участю флавінзалежних дегідрогеназ:

У процесах біологічного окислення певні флавопротеїнові  ферменти відіграють роль як анаеробних, так і аеробних дегідрогеназ

 

• Флавопротеїни – анаеробні дегідрогенази:

-    НАДН-дегідрогеназа;

• Сукцинатдегідрогеназа;
• Дигідроліпоїлдегідрогеназа;
• Ацетил-КоА-дегідрогеназа;
• Гліцерол-3фосфат-дегідрогеназа;
• Флавопротеїни – аеробні дегідрогенази:
• Дегідрогеназа (оксидаза) L-амінокислот;
• Ксантиноксидаза (ксантиндегідрогеназа);
• Глюкозоксидаза;

 

 

 

Цитохроми

Молекулярна організація  ланцюга біологічного окислення  в мітохондріях

Дихальний ланцюг мітохондрій

 

• Сукупність молекулярних компонентів(ферментів, коферментів, додаткових електронно-транспортних білків), що здійснюють дегідрування органічних субстратів та послідовний перенос відновлювальних еквівалентів(протонів та електронів) на кисень через ряд проміжних переносників – транспортерів протонів та електронів.

Компоненти дихального ланцюга мітохондрій

 

Комплекс  І (НАДН – дегідрогеназа; НАДН: убіхінон – редуктаза; НАДН:коензим Q - редуктаза).

Комплекс  ІІ (сукцинатдегірогеназа; сукцинат; убіхінон(коензим Q)  - редуктаза).

      Коензим Q (Убіхінон) – ліпідорозчинний хінон з ізопреноїдним бічним ланцюгом, що містит у тканинах ссавців десять п’ятивуглецевих ізопреноїдних залишків Q10.     

Комплекс  ІІІ (убіхінон: цитохром с-оксидоредуктаза; убіхінолдегідрогеназа; цитохром с-редуктаза)

      Цитохром с – водорозчинний білок з молекулярною масою 12,5 кДа, що переносить електрони між комплексами ІІІ і ІV дихального ланцюга.

Комплекс  ІV (цитохромоксидаза).

 

Схема організації дихального ланцюга мітохондрій

Молекулярна організація  НАДН: убіхінон редуктази – комплексу І дихального ланцюга мітохондрій

Окисне фосфорилування та АТФ-синтетаза мітохондрій