Исполнители: студенты педиатрического факультета 223 группы заруба н.С. Чащина е.Е. Уральская государственная медицинская академия, кафедра биоорганической и биологической химии Екатеринбург 2002. Введение. В химии под окислением понимается удаление электронов, а под восстановлением - их присоединение, что наглядно иллюстрируется на примере окисления ферро-иона в ферри-ион: Fe2 -e → fe3 Из этого следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Такой постулат окислительно-восстановительных процессов единообразно применим к биохимическим схемам и характеризует природу биологических окислительных процессов. Несмотря на то что некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от его поступления. Кислород используется главным образом в процессе дыхания, которое можно определить как процесс захвата клеточной активности в виде атф при контролируемом присоединении кислорода к водороду с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород запускает различные субстраты с помощью ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарственные препараты, чужеродные для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) подвергаются атаке ферментов этой категории, которые уже успели остановиться в них под названием цитохром р450. Гипоксические нарушения клеточного метаболизма занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Основную роль в развитии необратимости патологических изменений отводят крайним проявлениям нарушений клеточного метаболизма. Адекватное снабжение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.[12,1992] Введение кислорода может спасти жизнь больным с нарушением дыхания или кровообращения. В некоторых случаях успешно применялась терапия кислородом под повышенным давлением; следует, однако, отметить, что интенсивная или длительная терапия кислородом под повышенным давлением может вызвать кислородное отравление.[2,1994] При написании данной работы перед вами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение освобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Выделяющаяся энергия расходуется на синтез атф. Изменение свободной энергии, характеризующее окислительно-восстановительные реакции, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса может характеризоваться не только величиной dg0', но и значением окислительно-восстановительного потенциала системы (eo). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за нуль, 0 в при рн=0. Однако для биологических систем удобнее заказывать окислительно-восстановительный потенциал при рн=7,0 (ео'); при этом рн потенциал водородного электрода равен -0,42 в.[10,1993] Используя табл. 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов в совокупности одной окислительно-восстановительной системы. Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.[10,1993] Система Эо¢/вольт Кислород/вода 0.82 Цитохром a: fe3 /fe2 0.29 Цитохром c: fe3 /fe2 0.22 Убихинон: оксид. Цитохром b: fe3 /fe2 Фумарат/сукцинат 0.03 Флавопротеин: окислен. Оксалоацетат/малат -0,12 Оксалоацетат/малат -0,17 Пируват/лактат -0,19 Ацетоацетат/гидроксибутират -0.27 Липоат: окислен. Nad /nadh -0.29 Nad /nadh -0.32 H /h2 -0.42 Сукцинат/альфа-кетоглютарат -0.67 Способы утилизации кислорода в клетке. В клетке существует три пути утилизации кислорода, которые характеризуются следующими реакциями: 1) оксидазный путь (90% поступающего кислорода восстанавливается до н2о при участии фермента цитохромоксидазы) 02 4e 4h → 2h2o 2) оксигеназный путь (присоединение одного атома кислорода к субстрату - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода - диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь Диоксигеназный путь 3) свободнорадикальный путь (протекает без участия ферментов и атф не образуется). Оксидазный путь утилизации кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления. Митохондрии по праву называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах по большей части происходит захват энергии, поступающей в результате окислительных процессов. Митохондриальная система сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического промежуточного продукта атф называется окислительным фосфорилированием. Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для части метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (cristae), образующих в направлении матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана удаляется при обработке дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-коа-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы а2). В межмембранном пространстве находятся аденилат-киназа и креатинкиназа. Во внутрисистемной мембране локализован фосфолипид кардиолипин. В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, поэтому необходимы механизмы транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на обратной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где осуществляет перенос восстановительных эквивалентов в дыхательную цепь на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегидрогеназа локализована на матричной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфатдегидрогеназа расположена на внешней стенке внутренней мембраны, где участвует в механизме глицерофосфатного челнока.[10,1993] Этапы энергетической утилизации компонентов питательных веществ. Утилизация энергии питательных веществ представляет собой сложный многоступенчатый процесс, который протекает в три этапа по следующей схеме: На первом этапе происходит расщепление крупных полимерных молекул до мономерных субъединиц: белков - до аминокислот, полисахаридов - до сахаров, жиров - до жирных кислот и холестеринов. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется в основном вне клеток под действием ферментов, выделяемых в полость желудочно-кишечного тракта. На втором действии образовавшиеся мелкие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Все атомы углерода и водорода сахаров превращаются в пируват, который, проникая в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного вещества ацетил-коэнзима а (ацетил-коа). Много ацетил-коа образуется дополнительно - при окислении жирных кислот. На 3-м шаге ацетильная группа ацетил-коа полностью расщепляется до co2 и h2o. Именно на этом последнем этапе образуется большая часть атф. В серии сопряженных технологических реакций более половины энергии, которая, согласно теоретическим расчетам, может быть извлечена из углеводов и жиров при их окислении до h2o и co2, используется для осуществления энергетически невыгодной реакции fn adp ® atp. Поскольку остальная энергия, освобождающаяся при окислении, выделяется клеткой как тепло, результатом образования атф является общее увеличение неупорядоченности вселенной, что абсолютно согласуется со вторым законом термодинамики. Благодаря образованию атф энергия, первоначально извлеченная при окислении из углеводов и жиров, преобразуется в наиболее удобную концентрированную форму химической энергии. В гликолизе молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, превращается в 2 молекулы пирувата, содержащие по 3 атома углерода. Для этого требуется 9 последовательных ферментативных реакций, в результате которых образуется ряд фосфатсодержащих промежуточных продуктов. (См. Рис. 1.) Логически последовательность реакций гликолиза можно разделить на 3 этапа: 1) в реакциях 1-4 см. Рис.Рис. 1) глюкоза превращается в трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения необходимы две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гидролизе атф); 2) в реакциях 5-6 альдегидная группа каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата окисляется до карбоксильной группы, а выделяющаяся при этом энергия используется для синтеза атф из адф и фн; 3) в реакциях 7-9 те две молекулы фосфата, которые присоединились к сахару на начальном этапе, снова переходят в адф, в результате чего образуется атф и компенсируются затраты атф на этапе 1. Общий выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух молекул атф (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5% и 6. Таким образом, эти реакции являются основными для гликолиза. Эти две реакции - единственные абсолютно во всем процессе, в которых из fn образуется высокоэнергетическая фосфатная связь. В результате этих двух реакций происходит окисление сахарного альдегида до фосфоглицериновой кислоты, перенос fn на adp с образованием высокоэнергетической связи atp и восстановление nad до nadh. В большинстве животных клеток гликолиз предшествует третьей стадии катаболизма, поскольку в анаэробных организмах и тканях, способных к анаэробным условиям, гликолиз может стать основным источником клеточной атф. В таких случаях молекулы пирувата находятся в цитозоле и превращаются в лактат, который затем выводится из клетки. Дальнейшее превращение пирувата в тех энергогенерирующих реакциях, которые называются ферментацией, необходимо для того, чтобы полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реакции 5 гликолиза, и таким образом регенерировать nad, наиболее благоприятный для дальнейшего гликолиза.[1,1994] Окислительное фосфорилирование. Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам захватить большую часть потенциальной свободной энергии окисления субстратов. Возможное объяснение механизма окислительного фосфорилирования предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных препаратов (например, амобарбитал) и ядовитых веществ (цианид, угарный газ) ингибируют окислительное фосфорилирование, что, как правило, приводит к летальному исходу. Окислительное фосфорилирование - настолько важный, очень важный процесс, что нарушение его нормального протекания несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему найдено лишь не слишком большое число генетических нарушений, затрагивающих эту систему. Хотя цикл лимонной кислоты является частью аэробного метаболизма, молекулярный кислород не участвует непосредственно ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию nadh и fadh2; он присутствует только в заключительной серии катаболических реакций, происходящих на мембране оборота. Почти вся энергия, получаемая на начальных этапах окисления при сгорании углеводов, жиров и других питательных веществ, сначала запасается в виде высокоэнергетических электронов, переносимых nadh и fadh. Поскольку высвобождающаяся энергия используется ферментами внутренней мембраны для синтеза атф из адф и фн, эти свежие реакции называются окислительным фосфорилированием. Синтез атф в реакциях окислительного фосфорилирования, происходящих в дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса. Механизм этого процесса, впервые предложенный в 1961 году, позволил решить проблему, давно стоявшую перед клеточной биологией. В прошлом считалось, что заряд для синтеза атф в дыхательной цепи дает тот же механизм, что и при субстратном фосфорилировании: предполагалось, что энергия окисления расходуется на образование высокоэнергетической связи между фосфатной группой и любимым промежуточным соединением и что превращение адф в атф осуществляется за счет энергии, выделяющейся при разрыве этой связи. Однако, не обращая внимания на интенсивные поиски, предполагаемый промежуточный продукт не был найден. Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами химии ("хеми...") И транспортом (осмотическим, от греч. Osmos - толчок, давление) - хемиосмотическая связь. Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 1960-х годов, включала четыре независимых постулата, касающихся функционирования митохондрий: 1. Дыхательная цепь митохондрий, расположенная в системной мембране, способна перемещать протоны; вслед за электронами дыхательная цепь "выкачивает" н из матрикса. 2. Митохондриальный атф-синтетазный комплекс также перемещает протоны через внутреннюю мембрану.Поскольку этот процесс обратим, фермент может использовать энергию гидролиза атф не только для запасания н через мембрану, однако если протонный градиент достаточно велик, протоны начинают "течь" через атф-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом атф. 3. Внутренняя митохондриальная мембрана непроницаема для h , oh- и всех анионов и катионов. 4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, которые транспортируют необходимые метаболиты и небиологические ионы. При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых nadh и fadh2, по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мембраны от одного переносчика к другому высвобождается энергия, которая используется для перекачки протонов (h ) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. (См. Рис. 2) В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент, энергия о6ративного протонного тока "вниз" по такому градиенту используется в мембраносвязанном ферменте атф-синтетазе, катализирующей образование атф из адф и фн, т.Е, завершающий этап окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование в редокс-цепи. Электроны переносятся от nadh к кислороду через три крупных ферментных комплекса дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения активности в дыхательной цепи и в ходе других катаболических реакций различны, в основе этого процесса лежат общие правила. Реакция h2 para o2 ® h2o делится на множество мелких "шагов", поэтому высвобождающаяся энергия может быть переведена в связанные формы, а не рассеяна в виде тепла. Как после образования атф и nadh в гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь с самого начала атомы водорода превращаются в электроны и протоны. Электроны передаются через ряд переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Когда электроны достигают конца этой электронно-транспортной цепи, протоны нейтрализуют отрицательный заряд, возникающий при переносе электронов на молекулу кислорода. Проследим процесс окисления, начиная с образования nadh - основного акцептора реактивных электронов, извлекаемых при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода состоит из одного электрона и примитивного протона. Каждая молекула nadh несет гидрид-ион (атом водорода с добавочным электроном, h:-), а не просто атом водорода. Однако благодаря тому, что nadh находится в непростом водном растворе свободных протонов, перенос в него гидрид-иона эквивалентен переносу двух атомов водорода или молекулы водорода (h:- h ® h2). Передача электронов по дыхательной цепи начинается с удаления гидрид-иона (h:-) из nadh; при этом nad регенерируется, а гидрид-ион превращается в протон и 2 электрона (h:- ® h 2e-). Эти электроны смотрят, возможно, на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. Вскоре электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения по цепи. Как правило, электроны переходят от одного атома металла к другому, и каждый из этих атомов прочно связан с молекулой белка, что влияет на его сродство к электрону. Необходимо отметить, что даже белки - переносчики электронов - группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, любой из которых содержит трансмембрану. Каждый последующий комплекс имеет более высокое сродство к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно передаются от одного комплекса к другому, пока, наконец, не перейдут к кислороду, обладающему наибольшим сродством к электрону. Энергия, выделяющаяся при переносе электронов по дыхательной цепи, запасается в виде электрохимического градиента протонов на внутренней мембране митохондрий. Окислительное фосфорилирование реально благодаря тесной связи переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны по дыхательной цепи, в связи с чем они последовательно передаются от одного звена ферментного комплекса к другому, не "пропуская" промежуточные звенья. Особенно важно, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями в некоторых белках-молекулах, в результате чего энергетически благоприятный поток электронов вызывает перекачку протонов (h ) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Перемещение протонов влечет за собой два важных последствия: 1) создается градиент рн между несколькими сторонами внутренней мембраны - в матриксе рн выше, чем в цитозоле, где значение рн обычно близко к 7,0 (поскольку мелкие молекулы свободно проходят через внешнюю митохондриальную мембрану, рн в межмембранном пространстве будет таким же, как в цитозоле); 2) создается градиент напряжения (мембранный потенциал) на обратной мембране, причем внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а внешняя - положительно. Градиент ph (dph) заставляет ионы h перемещаться обратно в матрикс, а ионы oh - из матрикса, что усиливает действие мембранного потенциала, под влиянием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный - выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента. Электрохимический протонный градиент создает протонную выталкивающую силу, измеряемую в милливольтах (мв). Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза атф и поступления в матрикс автометаболитов и небиологических ионов. Внутренняя мембрана митохондрий имеет необычно высокое содержание белка - она состоит примерно на 70% из белка и на 30% из фосфолипидов. Многие белки входят в состав электронно-транспортной цепи, поддерживающей градиент протонов через мембрану. Еще один важный компонент - фермент атф-синтетаза, катализирующий синтез атф. Это большой белковый комплекс, через который протоны по электрохимическому градиенту поступают обратно в матрикс. Подобно турбине, атф-синтетаза преобразует одну форму активности в другую, синтезируя атф из адф и фн в митохондриальном матриксе в реакции, связанной с электризацией протонов в матрикс (см. Рис. 3). Но синтез атф - не единственный процесс, протекающий за счет энергии электрохимического градиента. В матрице, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях, целесообразно поддерживать высокую концентрацию различных субстратов; в частности, для атф-синтетазы необходимы адф и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану необходимо транспортировать различные субстраты, несущие заряд. Для этого используются различные белки-переносчики, встроенные в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимического градиента, т.Е, для многих метаболитов источником этой энергии является сопряжение с движением всех остальных молекул "вниз" по их электрохимическому градиенту. Известно, что в пути адф участвует система адф-атф-антипорта: на первом пируват аналогичным образом транспортируется в матрикс. Энергия электрохимического градиента протонов используется также для переноса ионов са2 в матрикс, что, вероятно, важно для регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов. Чем больше тепла электрохимического градиента тратится на перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза атф. Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким содержанием са2, то они полностью прекратят синтез атф: вся энергия градиента будет потрачена на перенос са2 в митохондрию. В некоторых специализированных клетках электрохимический градиент протонов "шунтируется" так, что митохондрии вместо синтеза атф вырабатывают тепло. По-видимому, клетки способны регулировать использование энергии электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы, которые наиболее важны в данный момент. Быстрое превращение адф в атф в митохондриях позволяет поддерживать в клетках высокое соотношение концентрации атф и адф. С помощью дорогостоящего белка, встроенного во внутреннюю мембрану, адф транспортируется в матрикс в обмен на атф антипортовым способом. В результате молекулы adp, освобождающиеся при гидролизе атф в цитозоле, быстро доставляются в митохондрии для "подзарядки", а молекулы атф, образующиеся в матриксе в процессе окислительного фосфорилирования, также быстро попадают в цитозоль, где они и нужны. В организме человека за сутки образуется молекул атф, что позволяет поддерживать в клетке концентрацию атф, более чем в 10 раз превышающую концентрацию адф. В процессе окислительного фосфорилирования любая пара электронов nadh дает энергию для образования около трех молекул атф. Примерно каждая молекула ацетил-коа, поступающая в цикл лимонной кислоты, дает около 16 молекул атф. Из этого следует, что при окислении одной молекулы глюкозы образуется 24 молекулы атф, а при окислении одной молекулы пальмитата, жирной кислоты с 16 атомами углерода, - 96 молекул атф. Если учесть также экзотермические реакции, предшествующие образованию ацетил-коа, то окажется, что при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется около 36 молекул атф, а при полном окислении пальмитата - около 129 молекул атф. Это максимальные значения, поскольку на самом деле количество атф, синтезируемого в митохондриях, зависит от того, какая часть энергии протонного градиента расходуется на синтез атф, а не на непосредственные процессы. Если сравнить изменение свободной энергии при сгорании жиров и углеводов непосредственно до co2 и h2o с единичным количеством энергии, запасенной в фосфатных связях атф в процессах биологического окисления, то окажется, что эффективность преобразования энергии окисления в энергию атф часто превышает 50%. Поскольку вся неиспользованная энергия выделяется в виде тепла, крупным организмам потребуются более эффективные способы отвода тепла в природу. Огромное количество свободной энергии, выделяющейся при окислении, может быть эффективно использовано лишь небольшими порциями. Увлекательный процесс окисления включает в себя множество промежуточных продуктов, каждый из которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Это позволяет расщепить высвобождающуюся энергию на более мелкие части, которые могут быть эффективно преобразованы с помощью сопряженных реакций в высокоэнергетические связи молекул атф и nadh. В 1960 году впервые было показано, что различные мембранные белки, участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть изолированы без потери активности. Крошечные белковые структуры, усеивающие поверхность субмитохондриальных частиц, удалось отделить от поверхности и перевести в растворимую форму. Хотя субмитохондриальные частицы в отсутствие таких сферических структур продолжали окислять nadh в присутствии кислорода, синтеза атф не происходило. С другой стороны, изолированные структуры действовали как атфазы, гидролизуя атф до адф и fn. Когда сферические структуры (названные f1-атфазами) были добавлены к субмитохондриальным частицам, лишенным их, восстановленные частицы вновь синтезировали атф из адф и фн. F1-атфаза является компонентом большого мембранопротяженного комплекса, состоящего как минимум из девяти различных полипептидных цепей. Этот комплекс был назван атф-синтетазой; он составляет около 15% от общего количества белков внутренней митохондриальной мембраны. Очень похожие атф-синтетазы обнаружены в мембранах хлоропластов и бактерий. Такое белковое средство содержит трансмембранные каналы для протонов, и происходит только тогда, когда протоны проходят через эти каналы по собственному электрохимическому градиенту. Атф-синтетаза может действовать и в обратном направлении - расщеплять атф и перекачивать протоны. Действие атф-синтетазы обратимо: она способна связывать как энергию гидролиза атф для перекачки протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза атф. При этом атф-синтетаза представляет собой обратимую сопряженную систему, осуществляющую взаимопревращение энергии электрохимического градиента протонов и химических связей. Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальным значением dg для гидролиза атф. Атф-синтетаза получила свое название в связи с тем, что: в нормальных условиях протонного градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синтезирует серьезную часть всего атф клетки. Количество протонов, наиболее необходимых для синтеза одной молекулы атф, точно не известно. При завершении работы атф-синтетазы протонами синтезируется одна молекула атф. Как будет продолжать функционировать атф-синтетаза в данный момент - в синтезе или гидролизе атф - зависит от точной гармонии между изменениями свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикс и для синтеза атф в матриксе. Как уже отмечалось, величина dgsint.Atp определяется концентрациями трех аэронов в митохондриальном матриксе - атф, адф и fn. При суточной протонной движущей силе атф-синтетаза будет синтезировать атф до тех пор, пока соотношение атф к адф и фн не достигнет такого значения, что величина dgcint.Atp станет точно равной 15,2 ккал/моль. В этих условиях синтез атф будет точно уравновешен его гидролизом. Предположим, что в результате энергозатратных реакций в цитозоле внезапно гидролизуется большое количество атф, что приводит к падению соотношения атф:адф в матриксе митохондрий. В этом случае dgcint. Падает, и атф-синтетаза переключается на синтез атф до тех пор, пока не восстановится исходное соотношение атф:адф. Если же протонодвижущая сила вдруг уменьшится и останется постоянной, то атф-синтетаза начнет расщеплять атф, и наша реакция может продолжаться до тех пор, пока соотношение концентраций атф и адф не достигнет некоторого другого значения (где dgsint.Атф = 13,8 ккал/моль), и так далее. Если атф-синтетаза в норме не транспортирует н из матрикса, то дыхательная цепь, расположенная в виртуальной мембране митохондрий, при благоприятных условиях переносит протоны через эту мембрану, создавая электрохимический градиент протонов, доставляющий энергию для синтеза атф. Большинство переносчиков электронов, входящих в состав дыхательной цепи, поглощают свет, и их окисление или восстановление сопровождается изменением цвета. Обычно спектр поглощения и реакционная способность каждого переносчика достаточно характерны, чтобы даже в неочищенных экстрактах можно было проследить изменение их состояния с помощью спектроскопии. Это дает возможность идентифицировать такие переносчики еще до того, как будет понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 году как соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются в самых разных организмах - дрожжах, бактериях и насекомых. Наблюдая клетки через спектроскоп, удалось выделить три типа цитохромов, отличающихся по спектрам поглощения и названных цитохромами a, b и c. Клетки содержат несколько разновидностей обоих типов цитохромов, и классификация по видам не отражает их функции. Простейшим переносчиком электронов является небольшая гидрофобная молекула, растворенная в липидном бислое, называемая убихиноном или коэнзимом q. Он может принять или отдать один или два электрона и временно захватывает протон из среды при переносе каждого электрона. Дыхательная цепь содержит 3 больших ферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану Мембранные белки трудно выделить в виде интактных комплексов, поскольку они нерастворимы во многих водных растворах, а специальные препараты, такие как детергенты и мочевина, предназначенные для их солюбилизации, могут нарушить нормальное взаимодействие белка с белком. Однако еще в 1960-х годах было обнаружено, что относительно мягкие ионные детергенты, такие как дезоксихолат, могут быть использованы для солюбилизации некоторых компонентов внутренней мембраны митохондрий в нативном виде. Это позволило идентифицировать и выделить 3 основных мембранно-индуцированных комплекса дыхательных ферментов на пути от nadh к кислороду. 1. Nadh-дегидрогеназный комплекс, наиболее оптимальный из дыхательных ферментных комплексов, имеет молекулярную массу более 800000 и содержит более 22 полипептидных цепей. Он принимает электроны от nadh и передает их через флавин и не менее пяти железосерных центров на_ убихинон - небольшую жирорастворимую молекулу, которая передает электроны на второй дыхательный ферментный комплекс - комплекс b-c1. 2. Комплекс b-c1 состоит не менее чем из 8 различных полипептидных цепей и, вполне вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500000. Каждый мономер содержит три цитохром-индуцируемые темы и железо-серный белок. Комплекс принимает электроны от убихинона и передает их цитохрому c, небольшому периферическому мембранному белку, который затем передает материалы цитохромоксидазному комплексу. 3. Цитохромоксидазный комплекс (цитохром aa3) - наиболее изученный из описанных комплексов. Он состоит как минимум из восьми различных полипептидных цепей и был выделен в виде димера с молекулярной массой 300000; каждый мономер содержит два цитохрома и два атома меди.Цитохромы, железо-серные центры и атомы меди могут передавать только один электрон за раз. Однако каждая молекула nadh отдает два электрона, а любая молекула o2 должна принять 4 электрона при образовании молекулы воды. В электротранспортной цепи имеется ряд электронособирающих и электроноотдающих участков, на которых координируется разница между электронами. Так, например, цитохромоксидазный комплекс принимает 4 электрона от молекул цитохрома с мягким отдельно и передает их в целом на одну связанную молекулу o2, что приведет к возникновению двух молекул воды. На промежуточных этапах самого процесса эти два электрона, прежде чем повернуть к сайту связывания кислорода, поступают на геном цитохрома a при связывании атома меди белка, cua. Однако механизм образования двух молекул воды в результате взаимодействия связанной молекулы o2 с 4 протонами точно не известен. В большинстве клеток около 90% всего поглощенного кислорода взаимодействует с цитохромоксидазой. Токсичность таких ядов, как цианид и азид, связана с их способностью прочно прикрепляться к цитохромоксидазному комплексу и тем самым блокировать необходимый транспорт электронов. Два компонента, переносящие электроны между тремя основными ферментными комплексами дыхательной цепи, убихинон и цитохром c, быстро перемещаются путем диффузии в плоскости мембран. купить динитрофенол i, то я рекомендую вам посетить наш городской портал.