Цепь переноса электронов (ЦПЭ)

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстановительных реакций, в результате которых происходит последовательный перенос водорода и электронов от субстрата к кислороду.

Тканевое дыхание включает:

Отнятие водорода от субстрата (дегидрогенирование);

Многоэтапный процесс переноса электронов на кислород;

Перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии; часть этой энергии расходуется в виде тепла, а около 40 % используется на синтез АТФ. Тканевое дыхание и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Ферменты отщепляющие водород от субстрата (дегидрогеназы), находятся в основном в матриксе митохондрий. Процесс тканевого дыхания протекает в митохондриях.

Всю систему реакций и ферментов тканевого дыхания называют дыхательной цепью. Перенос электронов на кислород происходит при участии системы переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ).

В состав ЦПЭ входят 3 ферментных комплекса:

НАДН – дегидрогеназа (І);(НАДН-ДГ-аза)

QН₂ – дегидрогеназа (ІІІ);

Цитохромоксидаза (ІV);

Низкомолекулярные переносчики: кофермент Q, цитохром с небольшой по размерам белок.

Направление переноса протонов и электронов определяет окислительно-восстановительный потенциал – редокс-потенциал. Все компоненты ЦПЭ расположены в митохондриях в порядке возрастания редокс-потенциала; самый высокий редокс - потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от НАДН на кислород, при котором происходит выделение энергии на каждом этапе ЦПЭ.

Таким образом, работа дыхательной цепи сводится к транспорту электронов от субстрата тканевого дыхания к кислороду, а также протонов, поставляемых субстратом и матриксом митохондрий. При транспорте в связи с падением редокс-потенциала освобождается энергия и в итоге образуется вода.

Все участники дыхательной цепи (ЦПЭ) разделены на четыре окислительно-восстановительные системы (комплексы).

I комплекс дыхательной цепи: НАДН – убихинон – оксидоредуктаза

Это сложный полиферментный комплекс, обладающий большой молекулярной массой. Он содержит более 20 различных белков, коферментом которых является ФМН. Кроме ФМН-зависимых ферментов, в состав I комплекса входят пять железосерных белков, которые осуществляют разделение потока протонов и электронов. В I комплексе дыхательной цепи непосредственно АТФ не образуется, а высвобождающаяся энергия аккумулируется или рассеивается в виде тепла.

SН₂ – это субстраты доноры протонов и электронов - пируват, изоцитрат, малат, оксипроизводные жирных кислот, глутаминовая кислота. Они проникают вматрикс митохондрии и подвергаются воздействию НАДН – дегидрогеназы:

SН₂ + НАД+ ДГ-аза → S + НАДН-ДГ-аза + Н+.

НАДН-ДГ-аза отнимает протоны и электроны у субстратов реакций, и передает их первому комплексу дыхательной цепи. В состав НАДН-ДГ-азы входит кофермент НАД⁺, содержащий витамин РР.

ФМН – флавинмононуклеотид, способен восстанавливаться, присоединяя два атома водорода (т.е. 2 протона и 2 электрона), отдаваемых НАДН-ДГ-ой:

ФАД + 2Н ↔ ФАДН₂.

Пять железосерных белков, осуществляют разделение потока протонов и электронов. При этом электроны от ФМНН₂ переносятся к внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны, здесь они выделяются в межмембранное пространство.

II комплекс дыхательной цепи: сукцинат – убихинон – оксидоредуктаза

Этот комплекс отличается меньшей молекулярной массой, содержит железосерные белки. Субстратами комплекса являются: сукцинат, поступающий из матрикса митохондрий, а также жирные кислоты, которые находятся в матриксе. Коферментом комплекса является ФАД – флавинадениндинуклеотид. В II комплексе дыхательной цепи непосредственно АТФ не образуется, а высвобождающаяся энергия аккумулируется или рассеивается в виде тепла, этой энергии недостаточно для синтеза молекулы АТФ.

Убихинон (коэнзим Q) – посредник в передаче водородов. Это небольшая молекула (производное бензохинона) с длинной боковой цепью, способная свободно перемещаться как вдоль, так и поперек мембраны. Перемещаясь, молекулы убихинона захватывают протоны и электроны от комплексов I и II дыхательной цепи, а также протоны из матрикса. При этом убихинон восстанавливается:

КоQ + 2Н⁺ + 2е ↔ КоQН₂

Восстановленная форма (убихинол, КоQН₂) в свою очередь передает 2 электрона III комплексу дыхательной цепи, а протоны при этом высвобождаются в межмембранное пространство.

III комплекс дыхательной цепи: убихинол – цитохром-с – оксидоредуктаза

В состав III комплекса входят сложные белки – Цитохромы b и с. Работа III комплекса заключается в транспорте электронов от убихинола на цитохром с. Ферменты III комплекса захватывают из матрикса протоны и переносят их в межмембранное пространство. При этом существенно падает ОВ потенциал, а высвободившейся энергии достаточно для синтеза одной молекулы АТФ. От III комплекса электроны переносятся на IV при помощи очень подвижного фермента цитохромоксидазы. Цитохром «с» при этом переносит только электроны, попеременно восстанавливаясь и окисляясь.

IV комплекс дыхательной цепи: цитохром-с – оксидаза

В состав IV комплекса входят сложные белки – Цитохромы а и а_3. В отличие от других цитохромы а и а₃ содержат, помимо железа, также медь, которая меняет свою степень окисления. При этом электроны от цитохрома «с» последовательно переносятся на цитохром «а», а затем на цитохром «а₃». Конечным акцептором электронов является молекулярный кислород воздуха. Восстановление кислорода происходит на цитохроме «а₃», обращенном к матриксу:

2е + ½ О₂ + 2Н⁺ → Н₂О или

4е + О₂ + 4Н⁺ → 2Н₂О

Ионы Н⁺ для образования молекул воды берутся из матрикса митохондрии. Редокс-потенциал IV комплекса велик (+0,57 В), его хватит на образование 2-х молекул АТФ. Важнейшей функцией IV комплекса является также активный транспорт протонов, в связи с чем этот дыхательный комплекс ферментов получил название «протонного насоса». Протоны транспортируются в межмембранное пространство митохондрий.