ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т. е. атомов водорода) от органических веществ на кислород. В этом процессе участвует ряд промежуточных переносчиков, образующих дыхательную цепь.
Дыхательная цепь (электронотранспортная цепь, цепь переноса электронов) - система трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.
При взаимодействии НАД+ и НАДФ+ с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода.
В молекулу НАД+ (НАДФ+) включаются 2 электрона и один протон, второй протон остается в среде:
Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН):
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий.
Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов (рис. 33).
|
| Рис. 33. Митохондриальная дыхательная цепь |
Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) включает ФМН и железосерный белок FeS (негемовое железо). Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе. Комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на кофермент Q (KоQ) и перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
KoQ(убихинон) - производное бензохинона. Это некрупная липофильная молекула. Перемещаясь в липидном слое мембраны, убихинон обеспечивает передачу электронов между комплексами I - III и II - III.
Комплекс II (сукцинат-дегидрогеназа) включает ФАД и железосерный белок. Обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счет окисления сукцината.
Комплекс III (QН2-дегидрогеназа)включает цитохромы b и с1 и железосерный белок. Цитохромы- гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Комплекс III переносит электроны с убихинона на цитохром с и перекачивает
2 протона в межмембранное пространство.
Комплекс IV (цитохром c оксидаза)состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди. Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O2 и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.
Цитохром а3 - терминальный участок дыхательной цепи (цитохромоксидаза): происходит окисление цитохрома с и образование воды. В организме человека митохондриальная дыхательная цепь образует 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).
Компоненты дыхательной цепи митохондрий расположены в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит по градиенту окислительно-восстановительного потенциала и является источником энергии для переноса протонов. Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном направлении - с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент протонная АТФ-синтаза (рис. 34).
АТФ-синтаза состоит из двух частей – статора и ротора.
Статор состоит из трех α-субъединиц и трех β-субъединиц – они участвуют непосредственно в синтезе АТФ из АДФ и фосфата. К ним примыкает δ-субъединица, и все вместе они образуют F1-субъединицу.
Ротор состоит из g- и e-субъединиц.
Статор держится в мембране, а ротор вращается за счет энергии протонов.
В статоре имеется протонный канал (F0). Он состоит из двух полуканалов, которые смещены один относительно другого. Протон проходит одну половину канала, затем на вращающемся роторе попадает во вторую половину канала.
|
| Рис. 34. Строение протонной АТФ-синтазы |
Движущей силой для АТФ-синтазы, катализирующей реакцию
АДФ + Н3РО4 = АТФ + Н2О,
является разность электрохимических потенциалов, создаваемая при движении протонов через канал.
П. Митчеллдля объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи в 1960 г. предложил хемиосмотическую концепцию:в дыхательной цепи есть только 3 участка (комплексы I, III, IV), где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ.
Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшейся АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3, если реакция окисления идет с участием НАДН+Н+, и 2, если окисление субстрата протекает через ФАДН2. Реально получаемые величины меньше (2,5 и 1,5), т.е. процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны.
Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в матрикс митохондрии.
Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но средняя продолжительность жизни молекулы АТФ меньше 1 мин. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается.
На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин., если бы не было ее регенерации. При образовании тромба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соответственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт миокарда).
Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.
Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК):
В норме ЭЗК = 0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости ее использования, адениловая система насыщена энергией.
При ЭЗК < 0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.
Если ЭЗК = 1, то процессы синтеза АТФ тормозятся и ускоряется ее использование.
Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью. Относительные концентрации АТФ и АДФ в тканях изменяются в узких пределах, тогда как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.
Т.о., энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для биохимических и физиологических процессов. Эти превращения энергии и есть энергетический обмен.
Гипоэнергетические состояния подразделяются на:
1. Алиментарные (голодание, авитаминоз).
2. Гипоксические.Связаны:
- с нарушением поступления кислорода в кровь. Экзогенная гипоксия -недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе, легочная (дыхательная) –нарушение легочной вентиляции;
- с нарушением транспорта кислорода в крови. Гемодинамическая гипоксия связана с нарушениями кровообращения (генерализованные – пороки сердца, кровопотеря; локальные – спазм сосудов, тромбоз); причины гемоглобиновой гипоксии – гипогемоглобинемия, гемоглобинопатии, блокирование гемоглобина ядами.
3. Митохондриальные. Затруднено использование кислорода в клетках в результате нарушения функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.
При полном голодании пищевых резервов организма хватает на несколько недель. При лишении же организма кислорода смерть наступает через 2-3 минуты. Поэтому гипоксия - наиболее частая причина гипоэнергетических состояний, а гипоксия мозга - непосредственная причина смерти. Среди реанимационных процедур ведущее место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов кислородом.