ПОНЯТИЕ О ТКАНЕВОМ ДЫХАНИИ. СТАДИИ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ. СОСТАВ И ФУНКЦИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ ВНУТРЕННЕЙ МЕМБРАНЫ МИТОХОНДРИЙ

Тканевое дыхание - это совокупность реакций аэробного окисления органических молекул в клетке, при которых молекулярный кислород является обязательным субстратом для образования продуктов окисления. Однако использоваться клеткой кислород может для разных задач:

1. во внутренней мембране митохондрий кислород является конечным акцептором электронов от окисляемых субстратов (НАДН·Н⁺ или ФАДН₂) с возможностью включения его активной формы (оксид-анион; атомарный кислород) в молекулу воды – одного из конечных продуктов окисления органических молекул в клетках аэробного типа;

2. монооксигеназные системы внутренней мембраны митохондрий или мембран эндоплазматического ретикулума (ЭПР) используют один атом молекулярного кислорода для его включения в молекулы органических субстратов с целью модификации их структуры и появления таких функциональных групп, как гидроксильная, кето-, альдегидная, карбоксильная группы;

3. диоксигеназные системы ЭПР используют два атома молекулярного кислорода для образования перекисных соединений тип R₂O₂. Такие перекиси клетка утилизирует благодаря антиоксидантным ферментативным системам: глутатионпероксидаза и др..

Задача 1 выполняется клеткой аэробного типа преимущественно тогда, когда в клетке появляются вещества-энергоисточники, и есть необходимость для продукции энергии путем включения этих веществ–энергоисточников в катаболические пути. Тканевое дыхание клетки можно представить в виде стадий, их три:

1 стадия тканевого дыхания - 2-я стадия катаболических процессов;

2 стадия тканевого дыхания – Цикл Трикарбоновых Кислот (ЦТК);

3 стадия тканевого дыхания - функция дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий.

1-я и 2-я стадии тканевого дыхания продуцируют в цитозоле и в матриксе митохондрий восстановленные формы коферментов и простетических групп – потенциальные доноры электронов в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий. Именно в этой мембране присутствует специальный комплекс ферментов и липофильных веществ (убихинон; коэнзим Q), который переносит электроны от восстановленных форм коферментов (НАДН) и простетических групп (ФАДН₂) на атомарный кислород.

В структуре митохондрий выделяют наружную мембрану, внутреннюю мембрану, матрикс, межмембранное пространство. В матриксе и, частично, во внутренней мембране локализованы процессы первой и второй стадий тканевого дыхания: бета-окисление высших жирных кислот, реакции обмена аминокислот - окислительное дезаминирование, трансаминирование, цикл Кребса (ЦТК) за исключением сукцинатдегидрогеназной реакции.

Обе мембраны пронизывают транспортные системы, отвечающие за:

1. транспорт аминокислот;

2. транспорт АТФ/АДФ;

3. транспорт ионов;

4. челночные системы (малат-аспартатная, глицеролфосфатная), осуществляющие транспорт электронов и протонов от цитозольных форм восстановленных коферментов в матрикс и во внутреннюю мембрану;

5. транспорт трикарбоновых кислот;

6. транспорт ацилов ВЖК;

7. транспорт катионов и анионов.

Транспортные системы обеспечивают постоянство состава матрикса митохондрии, обмен веществами с цитоплазмой, доставку образующихся субстратов из матрикса в цитоплазму для нужд клетки.

Наиболее важной с энергетической точки зрения является третья стадия тканевого дыхания, т.е. функция дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий. Дыхательная цепь состоит из переносчиков электронов от восстановленных форм коферментов на кислород. Переносчики элетронов объединены в комплексы дыхательной цепи. Деление участников дыхательной цепи на комплексы (I-IV) возникло в ходе экспериментальных исследований по выделению и разделению компонентов дыхательной цепи с целью изучения их структуры и функции.

Комплекс I дыхательной цепи состоит из трансмембранного белка-фермента НАДН-дегидрогеназы (небелковая часть – ФМН) и железосеросодержащих белков (FeS-белки). Из матрикса НАДН-формы мигрируют во внутреннюю мембрану митохондрий, где их захватывает флавопротеин НАДН–дегидрогеназа. Протекает окислительно-восстановительная реакция:

НАДН·Н⁺ + ФМН·ДГаза ® НАД⁺ + ФМНН₂·ДГаза

ФМН ФМНН₂

Восстановленная форма НАДН-ДГазы через FeS-белки комплекса I передает электроны убихинону (КоQ), а протоны убихинон может захватывать из матрикса:

KoQ KoQH₂

Убихинон - очень липофильная структура, свободно двигающаяся в направлении от поверхности внутренней мембраны, обращенной к матриксу (КоQH₂), к поверхности внутренней мембраны, обращенной к межмембранному пространству (ММП) и обратно (КоQ). Восстановленная форма убихинона отдает электроны комплексу III дыхательной цепи, содержащему цитохромы в, с₁ и FeS-белки. Цитохромы в и с₁ – гемопротеины третичной структуры. Особенностью гемов является наличие в них катионов железа, меняющих степень окисления Fe²⁺/Fe³⁺. Гем цитохромов в , с₁ или с способен принять только 1 ē, поэтому для передачи 2ē, которые транспортирует дыхательная цепь от окисляемого субстрата (восстановленной формы кофермента), нужны два цитохрома каждого типа. Цитохромы в , с₁ и с не способны принимать в свою структуру ионы Н⁺. Следующим акцептором электронов является цитохром с (самый подвижный во внутренней мембране цитохром; не входит ни в один комплекс), это тоже гемопротеин третичной структуры.

Восстановленная форма цитохрома с (Fe²⁺) отдает далее электроны цитохром с-оксидазе (ЦХО). Цитохром с-оксидаза – трансмембранный белок, гемопротеин четвертичной структуры, состоящий из шести субъединиц: 4а и 2а₃, последние содержат только Cu²⁺/Cu⁺. Данный белок называют также комплексом IV дыхательной цепи. Цитохром с-оксидаза, получая 4ē от цитохромов С (Fe²⁺), приобретает высокое сродство к молекулярному кислороду. Каждая пара электронов переходит на 1 атом молекулярного кислорода с формированием оксид-аниона, которые соединяясь с четырьмя протонами дают образование эндогенной воды: 4Н⁺+4 ē +О₂→2Н₂О

Убихинон способен забирать электроны от восстановленной формы ФАДН₂·СукцинатДГазы, которая образует вместе с FeS-белками и цитохромом в₅₆₀ комплекс II дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий. Таким образом, убихинон является коллектором, собирающим электроны от окисляемых субстратов и, передавая их дальше цитохромам (рис.29):

Рис. 29. Комплексы дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий. На схеме две дыхательные цепи: одна – длинная, начинается с функции НАДН-ДГазы; вторая – короткая, начинается с функции СДГазы.