Дыхательные цепи митохондрий

Рассмотрим полную дыхательную цепь (ЦПЭ).

1. Субстраты II и III типов передают протоны и электроны на НАД-зависимые (пиридинзависимые дегидрогеназы), которые локализованы в матриксе митохондрий. Их специфичность определяет апофермент.

1) Пиридинзависимые дегидрогеназы – сложные ферменты, у которых в качестве кофермента выступает НАД⁺.

2) Активной частью НАД⁺ является никотинамидное кольцо, которое принимает протон и 2 электрона (гидрид-ион, Н^-) от субстрата и превращается в восстановленную форму.

3) В состав НАД⁺ входит витамин РР (ниацин, В₅).

4) НАД⁺ является коферментом, который свободно диссоциирует от апофермента.

Уравнение реакции, катализируемой пиридинзависимыми дегидрогеназами, можно изобразить следующим образом:

SН₂ + НАД (Ф)⁺ ↔ S + НАД (Ф)Н + Н⁺

Появление протона в среде позволяет судить о дегидрировании субстрата окисления.

2. Следующим акцептором атомов водорода является НАДН-дегидрогеназа, которая содержат 2 простетические группы: производное витамина В₂ – ФМН и железосерные кластеры (FeS). Субстратом для фермента является восстановленный НАДН+Н⁺ (иногда пишут НАДН₂).

НАДН+Н⁺ + ФМН → ФМНН₂ + НАД⁺

Фермент связан с внутренней мембраной митохондрии и пересекает ее поперечном направлении.

Присоединение 2-х атомов водорода происходит к 1 и 10 атомам азота 6,7-диметилизоаллоксазина.

От ФМНН₂ 2ē переносятся на FeS кластеры, содержащие негеминовое железо.

FeS кластеры находятся внутри железо-серных белков и играют важную роль в восстановительных реакциях биологических систем. Известно несколько типов FeS кластеров. FeS кластеры содержат один или несколько атомов железа, связанных с SH-группами остатков цистеина или неорганическим кислотолабильным сульфидным ионом. Наиболее простой тип FeS кластера содержит один атом железа, координационно связанный с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка. Второй тип, обозначаемый [2FeS-2S], содержит 2 атома железа и 2 неорганических сульфида и 4 остатка цистеина. Третий тип, [4Fe-4S], содержит 4 атома железа, 4 неорганических сульфида и 4 остатка цистеина. НАДН-редуктаза содержит [2Fe-2S] и [4Fe-4S] кластеры.

Перенос электронов в FeS кластерах осуществляется за счет изменения валентности железа Fe²⁺ → Fe³⁺.

3. От FeS-кластеров электроны переносятся на кофермент Q.

Его называют также убихинон из-за его повсеместного распространения в биологических системах. Кофермент Q – хиноновое производное с длинным изопреноидным хвостом. Число изопреновых единиц в коферменте Q зависит от вида живых организмов. У млекопитающих его наиболее распространенная форма содержит 10 изопреновых единиц и обозначается как Q₁₀. Изопреновый хвост обусловливает высокую неполярность кофермента Q, которая способствует его быстрой диффузии в липидном бислое внутренней мембраны митохондрий.

Убихинон может присоединять один или два электрона и превращаться в семихинон радикал или в убихинол, соответственно. Поскольку убихинон переносит электроны и протоны, он выполняет важную роль в сопряжении потока электронов и протонов.

4. После кофермента Q происходит одноэлектронный перенос, в котором участвует система цитохромов. Различают 5 цитохромов: b, с, с₁, а и а₃. Указанные цитохромы отличаются по структуре и свойствам. Все цитохромы являются белками, у которых простетической группой является гем.

Простетической группой цитохромов b, с₁ и с является железосодержащий протопорфирин IX (гем), который является простетической группой в миоглобине и гемоглобине.

Гем цитохромов с и с₁, в отличие от цитохрома в, ковалентно связан с белком за счет образования тиоэфирных связей между сульфгидрильными группами остатков цистеина и винильных радикалов гема. Цитохромы а и а₃ имеют иную простетическую группу, которая отличается от цитохромов с и с₁: 1) вместо формильной группы 8-м положении находится метильная группа; 2) в 4-м положении вместо винильной группы находится углеводородная цепь (С₁₅); 3) гем присоединен к белку нековалентной связью.

Цитохромы а и в являются интегральными белками внутренней мембраны митохондрий, цитохром с является растворимым протеином который связан силами электростатического взаимодействия с наружной стороной внутренней мембраны митохондрий. Перенос электронов цитохромами осуществляется за счет изменения валентности атома Fe (Fe³⁺ ↔ Fe²⁺). Цитохромы а и а3 являются конечными звеньями дыхательной цепи и существуют в виде комплекса из 6 субъединиц, который называется цитохромоксидазой. Электроны принимаются субъединицами цитохрома а и передаются цитохрому а₃, который передает их на кислород. Цитохром а₃, кроме простетической группы, имеет в своем составе медь, которая принимает электрон и восстанавливается (Cu²⁺ ↔ Cu¹⁺), затем передает электрон на кислород, который заряжается отрицательно, приобретает способность взаимодействовать с протонами и образовывать Н₂О.

K 6-й координационной связи железа цитохрома а может присоединиться HCN, H₂S, CO. При этом валентность железа (Fe³⁺) становится постоянной и поток электронов прекращается. Это механизм действия дыхательных ядов.

Характеристика неполной (укороченной) дыхательной цепи.

Начинается от субстратов I типа: сукцината, ацил-КоА и α-глицерофосфата. Их дегидрирование происходит с помощью флавиновых ферментов, имеющих простетические группы ФАД и FeS центры. Ферменты являются интегральными белками внутренней мембраны митохондрий.

ФАД присоединяет два атома водорода от субстрата. Затем FeS-центры забирают 2ē, которые через КоQ поступают в цепь переноса электронов. Выталкивания протонов в межмембранное пространство не происходит, поскольку изменение свободной энергии незначительно.

Отличия полной цепи переноса электронов от укороченной: 1) субстраты полной ЦПЭ – II и III типов, укороченной – I типа; 2) в укороченной ЦПЭ отсутствуют пиридинзависимые дегидрогеназы.