ЛЕКЦИЯ 6 Электронотранспортные цепи Биологическое окисление и

ЛЕКЦИЯ № 6 Электронотранспортные цепи Биологическое окисление и окислительное фосфорилирование

Понятие об энергообмене • Показано, что 0, 02 % солнечной энергии запасается растениями (аутофторами) в форме углеводов. ж • Человек и животные организмы, использующие солнечную энергию для своей жизнедеятельности в виде пищевых веществ, называются гетерофторами. При этом до 60% энергии рассеивается в виде тепла, а часть запасается в виде АТФ. • Основной биологический смысл энергообмена состоит в том, чтобы мобилизовать скрытую в органических веществах энергию и направить ее на осуществление биосинтеза компонентов клетки и на другие энергозависимые процессы.

Способы извлечения энергии из пищевых веществ • 1. Анаэробный процесс гликолиза углеводов. • 2. Аэробный процесс биологического окисления особенностью которого является многократность передачи Н+ и ē от одного соединения (донора) к другому (акцептору). Это обеспечивает постепенное высвобождение энергии: без взрыва и пламени, в водной среде, при нормальном давлении.

Общая схема биологического окисления (окислительного фосфорилирования)

Строение митохондрий Кристы ы Межмембранное пространство ММежмембранное Матрикс В Внешняя мембрана Внутренняя мембрана

Схема переноса е и Н+ по электронотранспортной цепи и протонной АТФсинтетазы Внутренняя мембрана митохондрий ФМН Q 10 флавины Цитохром с-оксидаза АТФсинтетаза протонная матрикс

• Комплексы 1, 2, 3, 4 локализованы во внутреннем слое цитоплазматической мембраны и представляют собой белки (липопротеиды). Белки содержат до 40 полипептидных цепей (субъединиц) с массой до 1 млн дальтон. Белки являются ферментами – дегидрогеназами. Ферменты качестве простетической группы содержат кофакторы (коферменты). К ним относят НАДН, флавины, убихинон и цитохромы. Ферменты могут перемещаться во внутреннем слое фосфолипидов, так, что коферменты встречаются, при этом между ними происходит перенос электронов.

Кофермент НАДН водорастворим и поэтому локализован в цитоплазме Окисление + 2 Н+ , + 2 е НАДН НАД+ От НАДН протоны переносятся на внешнюю сторону цитоплазматической мембраны, а электроны передаются флавиновым основаниям.

Комплекс 1 - НАДН-убихинон оксиредуктаза Матрикс с Матрикс

Флавиновые основания способны Флавин обратимо восстанавливаться и окисляться -2 Н+, -2 е

Убихинон –убихинол Q 10 + 2 H+ + 2 e QH 2

Иллюстрация хемиосмотической теории Митчелла Электронотранспортная система Внешняя мембрана ф Сукци фумарат Сукцинат М Матриск Химический Хими. Хи потенциал мический Δ р. Н потенциа л АТФАТФсинтетаза Электрический Потенциал Э Δψ

Комплекс 3 –убихинон – цитохром с оксиредуктаза • Включает систему цитохромов, представляющих собой гем-содержащие белки

Цепь последовательного переноса електронов по системе цитохромов:

Цитохром с оксиредуктаза

Комплекс 4 – цитохром с оксидаза НАДН-дегидрогеназа Цитохром с оксиредуктаза Цитохром с -оксидаза Сукцинат-фумарат Сукцинат дегидрогеназа Стехиометрия протонной помпы

Дыхательная цепь

• Экспериментально подтверждено, что процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены. • Первый процесс - перенос электронов от восстановленных коферментов NADH и FADH 2 через ЦПЭ на кислород- экзергонический. Например: • НАДН +Н+ +1/2 O 2 →НАД+ + H 2 O+220 к. Дж/моль (1) • Второй процесс - фосфорилирование АДФ, или синтез АТФ, - эндергонический: • АДФ + Н 3 РО 4+30, 5 к. Дж/моль = АТФ + Н 2 О (2) • Синтез АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Строение АТФ-синтетазы АТФ-синтетаза – интегральный белок, состоящий из гидрофильной (F 1) и гидрофобной части, АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. в расположен в непосредственной основанием, погруженной Он мембрану. Он служит близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, фиксирующим АТФ-синтетазу в мембране. обозначаемых как F 0 и F 1 (рис. 6 -15). Гидрофильная часть состоит из нескольких Гидрофобный комплекс F 0 погружён в мембрану. Он служит субединиц, образующих канал, мембране. Комплекс F 0 основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в по которому состоит из переносятся в образующих протонынескольких субъединиц, матрикс. канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Общая схема образования энергии за счет циркуляции протонов Перенос электронов (дыхание) АТФ Протонная помпа Е ЭТЦ – Т дыхательная цепь Матрикс Мембрана АТФ-синтетаза октель ное окислительное фосфорилирование

Расположение пунктов сопряжения в цепи дыхательных ферментов

Усадьба Питера Митчелла, работа в домашней лаборатории

Согласно представлениям Митчелла: - запасание энергии в форме АТФ происходит вследствие предварительного накопления зарядов на стенках мембраны, создания мембранного потенциала и разности концентраций протонов. - Разность электрохимических потенциалов ионов водорода на сопрягающих мембранах (внутр. мембраны митохондрий, мембраны бактерий) возникает за счёт энергии, выделяемой при деятельности цепи окислительно-восстановительных систем (ферментов или коферментов). - Трансмембранные электрохимические потенциалы ионов служат источником энергии для синтеза АТФ, транспорта веществ, движения бактериальных клеток.

Разобщители дыхания и фосфорилирования 2, 4 -динитрофенол Пенициллин Жирные кислоты Тироксин наркотики Цианиды (СN-) Угарный газ (CO) Белок термогенин

Доказательства гипотезы Митчелла • В липосомах –искусственных клетках, построенных из фосфолипидов, в которые поместили митохондрии бактерий и АТФ-синтетазу, выделенную • из сердца быка, создавался поток протонов, формировался трансмембранный потенциал и синтезировалась АТФ.