Организация и функциониране на дихателната верига

Общи характеристики на дихателната верига като система от структурно и функционално свързани трансмембранни протеини и електронни носители. Организацията на дихателната верига в митохондриите. Ролята на дихателната верига в улавянето на енергия. Задачи и цели на инхибиторите.

Изпратете вашата добра работа в базата знания е проста. Използвайте формуляра по-долу

Студенти, аспиранти, млади учени, използващи базата от знания в своето обучение и работа, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

Организация на дихателната верига в митохондриите

Ролята на дихателната верига в улавянето на енергия

Инхибитори на дихателната верига

Дихателна верига - система от структурно и функционално свързани трансмембранни протеини и електронни носители.

ETC съхранява енергията, освободена по време на окисляването на NADH и FADH2 от молекулен кислород (в случай на аеробно дишане) или други вещества (в случай на анаеробно дишане) под формата на трансмембранен потенциал поради последователното прехвърляне на електрон по веригата, заедно с изпомпването на протони през мембраната.

При прокариотите ETC се локализира в CPM, при еукариотите - във вътрешната митохондриална мембрана. Носителите са разположени в съответствие с техния редокс потенциал, транспортът на електрон през веригата протича спонтанно.

Митохондриите се наричат "енергийни станции" на клетката, тъй като именно в тези органели се улавя главно енергията, доставяна от окислителните процеси.

Цялата полезна енергия, отделена по време на окисляването на мастни киселини и аминокиселини, и почти цялата енергия от окисляването на въглехидратите, се използва в митохондриите под формата на редукционни еквиваленти. Митохондриите съдържат няколко катализатора, които образуват дихателната верига, която улавя и транспортира редуциращи еквиваленти, насочвайки ги към реакция с кислород, което води до образуването на вода. В същото време съществува механизъм за улавяне на потенциална свободна енергия с нейното натрупване под формата на високоенергийни фосфати. Митохондриите също съдържат ензимни системи, които осигуряват образуването на повечето редуциращи еквиваленти; това са ензими на β-окислението и цикъла на лимонената киселина (последният е общ метаболитен път по време на окисляването на всички основни храни) Тази връзка е показана на фигура 1.1.

Организация на дихателната верига в митохондриите

Основните компоненти на дихателната верига (Фигура 1.1) са показани последователно, за да се увеличи редокс потенциала. Водородните атоми или електрони се движат по веригата от повече електроотрицателни компоненти към повече електропозитивен кислород, промяната в редокс потенциала по време на прехода от системата NAD/NADH към системата O2/H2O е 1,1 V.

Основната дихателна верига започва от NAD-зависимите дехидрогенази, преминава през флавопротеини и цитохроми и завършва с молекулярен кислород. Не всички субстрати са свързани с дихателната верига чрез NAD-зависими дихидрогенази; някои от тях, които имат относително висок редокс потенциал (например системата фумарат/сукцинат, са свързани с флавопротеинови дехидрогенази, които от своя страна са свързани с цитохроми на дихателната верига (фиг. 1.3).

Фигура: 1.1. Основните източници на еквиваленти на редукция и връзката им с митохондриалната дихателна верига

Допълнителен компонент, открит във функционално активните препарати на дихателната верига, е железно-серният блок FeS. Свързва се с флавопротеини и цитохром b. Желязото и сярата участват в окислително-редукционния процес, който протича съгласно едноелектронния механизъм (фиг. 1.5).

Съвременните концепции за последователността на основните компоненти в дихателната верига са отразени на фиг. 1.3. В електроотрицателния край на веригата дехидрогеназите катализират трансфера на електрони от субстрати към NAD в дихателната верига. Това се случва по два начина. В случаите, когато α-кетокиселини, пируват и кетоглутарат са субстрати, сложни дехидрогеназни системи, съдържащи липоат и FAD, участват в електронен трансфер в NAD. Електронният трансфер от други дехидрогенази с използване на L (+) - 3-хидроксиацил-КоА, D (-) - 3-хидроксибутират, пролин, глутамат, малит и изоцитрат като субстрати се осъществява директно върху NAD на дихателната верига.

Намаленият NADH в дихателната верига от своя страна се окислява от металната флавопротеинова NADH дехидрогеназа. Този ензим съдържа FeS и FMN и е силно свързан с дихателната верига. Коензим Q служи като колектор на редуциращи еквиваленти, които се доставят от редица субстрати чрез флавопротеинови дехидрогенази в дихателната верига. Тези субстрати включват сукцинат, холин, саркозин (фиг. 1.3). Флавиновият компонент на тези дехидрогенази е FAD. След това потокът на електрони от коензим Q преминава през поредица от цитохроми до молекулярен кислород (Фигура 1.3). Цитохромите са подредени в реда на увеличаване на редокс потенциала.

Фигура: 1.2. Транспорт на редуциращи еквиваленти на дихателната верига

Фигура: 1.3. Компонентите на митохондриалната дихателна верига FeS са разположени в O2-страничната верига на FP или Cytb. Cyt - цитохром; EPFP - електроносен флавопротеин; FeS - железно-серен протеин; FP - флавопротеин; Q - убихинон.

Фигура: 1.4. Структура на убихинон (Q); n е броят на изопреноидните единици, вариращ от 6 до 10.

Фигура: 1.5. Железо-сярна среда на железно-сярен протеин. S - нестабилна киселина сяра; Pr - апопротеин; Цис-цистеинов остатък. Някои железно-сярни протеини съдържат 2 железни и 2 сярни атома.

Терминалният цитохром aa3 осъществява последния етап на процеса, прехвърлянето на редуциращи еквиваленти към молекулярния кислород. Ензимната система съдържа мед - незаменим компонент на истинските оксидази. Цитохром оксидазата има много висок афинитет към кислорода, което позволява на дихателната верига да функционира с максимална скорост, докато тъканта практически не се изчерпи от O2. Тази катализирана от цитохром оксидаза реакция е необратима; той определя посоката на движение на редуктивните еквиваленти в дихателната верига, което е свързано с образуването на АТФ.

Направени са редица предположения относно структурната организация на дихателната верига. От съществено значение е моларните съотношения между компонентите да са почти постоянни. Функциониращите компоненти на дихателната верига са вградени във вътрешната митохондриална мембрана под формата на четири протеиново-липидни комплекса на дихателната верига.

Фигура: 1.6. Предполагаеми места на инхибиране на дихателната верига от специфични лекарства, химикали и антибиотици

Посочени са области, където вероятно се случва конюгация с фосфорилиране. BAL - димеркапрол; TTFA е хелатиращ агент за желязото. I-NADH комплекс; убихинон оксидоредуктаза; комплекс II - сукцинат: убихинон оксидоредуктаза; комплекс III - убихинол: ферицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV-фероцитохром с: кислород-оксидоредуктаза.

На тази основа е направено заключение за определена пространствена ориентация на тези комплекси в мембраната. Цитохромът е единственият разтворим цитохром и заедно с коензим Q служи като относително подвижен компонент на дихателната верига, който комуникира между комплексите, фиксирани в пространството (фиг. 1.6).

Ролята на дихателната верига в улавянето на енергия

ADP служи като молекула, която улавя част от свободната енергия, отделена в катаболните процеси под формата на високоенергийни фосфати. Полученият АТФ след това доставя безплатна енергия допълнително за изпълнението на летливи процеси. Следователно АТФ може да се нарече енергийна „валута“ на клетката.

Поради гликолизата се образуват две високоенергийни фосфатни групи, енергията им е приблизително 61 kJ mol глюкоза. Тъй като при пълно изгаряне на глюкоза се отделя около 2780 kJ, частта от енергията, уловена по време на гликолизата чрез фосфорилиране, е много малка. Реакциите на цикъла на лимонената киселина, които завършват процеса на пълно окисление на глюкозата, включват друг етап на фосфорилиране, който придружава превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат, което осигурява образуването на още два високоенергийни фосфата на 1 мол от глюкоза. Оценката на ефективността на улавянето на енергия от непокътнати митохондрии показва, че по време на окислението на субстратите, което се случва с участието на NAD-зависими дехидрогенази и дихателната верига, 3 мола неорганичен фосфат се включват в ADP и се образуват 3 мола ATP на Ѕ консумиран мол кислород. P: O съотношение = 2. Тези реакции се наричат реакции на окислително фосфорилиране на нивото на дихателната верига. В резултат на процесите на дехидрогениране по време на катаболизма на глюкозата по пътищата на гликолизата и цикъла на лимонената киселина, завършващ с окислително фосфорилиране, заедно с фосфорилиране на нивото на субстрата, приблизително 42% от свободната енергия на глюкозата се улавя под формата на високоенергийни фосфати. Очевидно е, че образуването на АТФ се случва главно поради функционирането на дихателната верига.

Честотата на дишане на митохондриите може да се контролира от концентрацията на ADP. Това се дължи на факта, че окисляването и фосфорилирането са твърдо свързани, т.е. функционирането на дихателната верига не може да се осъществи, ако не е придружено от фосфорилиране на ADP. Чанс и Уилямс предложиха да се разгледат 5 състояния, при които скоростта на дишане на митохондриите е ограничена от определени фактори (Таблица 1.1)

Обикновено повечето клетки в спящо състояние са в състояние, в което скоростта на дишане се определя от наличието на ADP. Енергията, необходима за извършване на работа, се доставя чрез превръщането на АТФ в АДФ, в резултат на което се създават условия за увеличаване на скоростта на дишане, което от своя страна води до попълване на резервите на АТФ (фиг. 1.7) и концентрацията на неорганичен фосфат. С увеличаване на честотата на дишане клетката се приближава до състояние 3 или състояние 5: или възможностите на дихателната верига са изчерпани. Факторът, ограничаващ скоростта, може да бъде ATP/ADP транслокаторът (вж. 1.8), който осигурява потока на ADP от цитозола в митохондриите.

Таблица 1.1. Контролно състояние на дишането

По този начин механизмът, чрез който се улавя свободната енергия от окисляването на храните, е поетапно, ефективен (40 - 45%) и регулиран, а не експлозивен, неефективен и неконтролиран. Част от свободната енергия, която не се улавя под формата на високоенергийни фосфати, се отделя под формата на топлина. Това изобщо не означава, че се губи напразно - при топлокръвни животни се използва за поддържане на телесната температура.

Инхибитори на дихателната верига

Значителна информация за дихателната верига е получена с помощта на различни инхибитори; предвидените им местоположения са показани на фиг. 1.6. Инхибиторите могат да бъдат разделени на 3 групи: инхибитори на дихателната верига, инхибитори на окислителното фосфорилиране, инхибитори на разединителите на окислителното фосфорилиране.

Инхибиторите, които блокират дихателната верига, работят на три места. Един от тях се инхибира от барбитурати, както и от антибиотика пиерицидин А. Тези инхибитори предотвратяват окисляването на субстрати, които доставят редуциращи еквиваленти на дихателната верига с участието на NAD - под формата на топлина.

Фигура: 1.7. Роля на ADP в дихателния контрол

Дихателната верига е част от процеса на окислително фосфорилиране. Компонентите на дихателната верига катализират трансфера на електрони от NADH + H или редуциран убихинон до молекулярен кислород. Поради голямата разлика между редокс потенциалите на донора и акцептора, реакцията е силно ексергонична. По-голямата част от енергията, освободена по време на това, се използва за създаване на протонен градиент и накрая за образуване на АТФ с помощта на АТФ синтаза.

1. Биохимия: Учебник за университети, Изд. Е.С. Северина., 2007.779

2. Константинов В. М. Обща биология. Учебник. М.: Академия, 2008.

3. Биохимия: В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова,

4. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия М.: Дрофа, 2008.-638 с.

5. Биология. Голям енциклопедичен речник/гл. изд. М. В. Гиларов. - 3-то изд. - М.