Тема: Биологическое окисление. Окислительное фосфорилирование. Механизмы сопряжения и разобщения, нарушения.

Митохондрии: особенности химического состава, строения.

Митохондрии органеллы, имеют 2 мембраны: наружную гладкую и внутреннюю с многочисленными складками – кристами. Наружная мембрана содержит много белка порина, образующего гидрофильные каналы, благодаря которому мембрану проходят неорганические ионы, метаболиты и даже небольшие белки (меньше 10кДа). Внутренняя мембрана высокоспецифична, состоит на 70% из белков, которые выполняют каталитическую (окислительное фосфорилирование) и транспортную функцию и на 30% из фосфолипидов. 20% фосфолипидов мембраны приходиться на кардиолипин, он делает мембрану непроницаемой для всех ионов. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом, который состоит на 50% из белка. Матрикс содержит высококонцентрированную смесь из сотен различных ферментов, несколько копий митохондриальной ДНК, митохондриальные рибосомы и тРНК.

Локализации ферментов митохондрий

1). Наружная мембрана содержит: а). элонгазы, ферменты удлиняющие молекулы насыщенных жирных кислот; б). кинуренингидроксилазу; в). моноаминооксидазу (маркер) и др.

2). Межмембранное пространство содержит: а). аденилатциклазу; б). нуклеозиддифосфаткиназы.

3). Внутренняя мембрана содержит: а). ферменты цепи окислительного фосфорилирования, из них цитохромоксидаза - маркер; б). СДГ в). β-оксибутират ДГ; г). карнитинацилтрансферазу.

4). Матрикс содержит: а). ферменты ЦТК; б). ферменты β-окисления жирных кислот; в). аминотрансферазы АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ д). фосфоенолпируваткарбоксилазу е). пируват ДГ.

В клетке содержится от сотни до тысячи митохондрий, их размер 2-3 мкм в длину и 1 мкм в ширину.

Метаболические и гомеостатические функции митохондрий

В митохондриях происходит: синтез АТФ и теплопродукция в реакция окислительного фосфорилирования; β-окисления жирных кислот; реакции ЦТК, через ЦТК протекают некоторые реакции глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема, осуществляется интеграция белкового, липидного и углеводного обмена.

Причины и последствия повреждений митохондрий

Повреждение внутренней мембраны митохондрий химическими и физическими факторами приводит к нарушению процесса синтеза АТФ, торможению анаболических реакций, межмембранного транспорта и всех видов обмена веществ.

Оксидазный путь использования кислорода в клетке

- окислительное фосфорилирование

Оксидазный путь использования кислорода состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены. В нем участвует около 40 различных белков. Оксидазный путь потребляет 90% О₂, является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ. При окислении выделяется 220 кДж/моль свободной энергии. На синтез 3 АТФ расходуется: 30,5*3=91,5 кДж/моль. В виде тепла выделяется: 220-91,5=128,5 кДж/моль. КПД = 40%.

убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинон

Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.

Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН₂ дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c₁, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.

2). Фосфорилирование осуществляется АТФ-синтетазой (Н⁺-АТФ-аза) — интегральным белком внутренней мембраны митохондрий. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F₀ и F₁. Гидрофобный комплекс F₀ погружён в мембрану.

Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F₀ состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Комплекс F₁ выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, δ, ε). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя «головку»; между а- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ, δ, ε – субъединицы связывают комплекс F₁, с F₀.

Механизм окислительного фосфорилирования

Хемиосмотическая теория Митчелла

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая гипотеза, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровож­дается синтезом АТФ.

Современные представления

В настоящее время открыты все основные компоненты ЦПЭ ОФ, изучено их строение, свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, механизмы некоторых стадий, регуляция окислительного фосфорилирования.

Механизм окисления

Комплексы цепи окисления располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе электрона от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии.

Изменение свободной анергии при переносе электронов по ЦПЭ.

E-FMN — комплекс I; E-FAD — комплекс II, b-c₁ — комплекс III; aa₃ — комплекс IV.

Часть этой свободной энергии используется для переноса протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, при этом на внутренней мембране создается протонный градиент (∆рН) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый протон несет положительный заряд, на мембране появляется разность потенциалов (∆V), внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В совокупности протонный градиент и разность

дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клет­ки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» мень­ше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

Механизмы разобщения окисления и фосфорилирования

Разобщение дыхания и фосфорилирова­ния назы­вают явление исчезновения на мембране электрохимического потенциала под действием разобщителей и прекращение синтеза АТФ. Разобщителями являются вещества, которые могут переносить протоны (протонофоры) или другие ионы (ионофоры) через мембрану минуя каналы АТФ-синтетазы. В результате разобщения количество АТФ снижается, АДФ увеличивается, возра­стает скорость потребления О₂, окисления НАДН₂, ФАДН₂, снижается коэффициент Р/О, энергия выделяется в виде теп­лоты.

Как правило, разобщители — липофильные веще­ства, легко проходящие через мембраны. Например, вещество 2,4-динитрофенол (переносит Н⁺), лекарство - дикумарол, метаболит - билирубин, гормон щитовидной железы - ти­роксин, антибиотики - валиномицин и грамицидин.