II. Обучающие упражнения

Модульная единица 1.1.

«Номенклатура органических соединений. Природные сопряженные структуры. Кислотно-основные взаимодействия в механизме реализации свойств важнейших классов биоорганических соединений. Окислительно-восстановительные процессы в организме»

Занятие 1.1.9.

Методические указания для студентов

ТЕМА: «Электронотранспортные цепи (митохондрий)»

ЦЕЛЬ: Сформировать у студентов представления о процессе биологического окисления. Познакомить с механизмом передачи протонов и электронов по дыхательной цепи митохондрий. Показать взаимосвязь процессов тканевого дыхания с синтезом АТФ.

ЗНАТЬ: Функционирование электронотранспортной цепи митохондрий. Основы хемиоосмотической теории Митчелла. Разобщители тканевого дыхания и их роль в патогенезе заболеваний.

УМЕТЬ: Приводить схему цепи тканевого дыхания. Объяснять взаимосвязь и возможность разобщения окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания, приводить примеры разобщителей.

ВЛАДЕТЬ: Навыками самостоятельной работы с учебной литературой и методическими материалами.

ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ: Для живого организма источником энергии, необходимой для выполнения всех видов работ, является энергия химической связи, высвобождаемая при окислении белков, жиров углеводов. Далее эта энергия используется для синтеза АТФ, а часть рассеивается в виде тепла. Вся биологически доступная энергия из любого органического топлива высвобождается лишь в том случае, если водородные атомы, связанные с углеродом данной молекулы, будут удалены в дыхательную цепь ферментов внутренней мембраны митохондрий, а углерод уйдёт на образование углекислого газа. Понимание принципа передачи протонов и электронов по дыхательной цепи митохондрий, а также взаимосвязи процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования (синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты) позволяет корректировать процессы метаболизма на уровне клетки.

I. Теоретические вопросы

1. Современные представления о процессе биологического окисления.

2. Организация и функционирование дыхательной цепи.

3. Взаимосвязь тканевого дыхания с процессами фосфорилирования (синтез АТФ).

4. Хемиоосмотическая теория Митчелла.

5. Разобщители тканевого дыхания и их роль в патогенезе заболеваний.

II. Обучающие упражнения

Задание 1. Показать механизм передачи протонов и электронов по дыхательной цепи митохондрий с указанием всех посредников. Обосновать последовательность расположения компонентов дыхательной цепи.

Вариант ответа: Все типы окислительно-восстановительных процессов происходят при окислении субстратов в митохондриях, на внутренних мембранах которых размещаются ансамбли из ферментов – дегидрогеназ, коферментов (НАД⁺, ФАД, УБХ), серии цитохромов b, с₁, c_, фермента – цитохромоксидазы (цитохром а+а₃). Они образуют систему клеточной дыхательной цепи, с помощью которой происходит эстафетная передача протонов и электронов от субстрата к молекулам кислорода, доставленным гемоглобином к клетке.

Каждый компонент дыхательной цепи характеризуется определённым значением окислительно-восстановительного потенциала. Движение электронов по дыхательной цепи происходит ступенчато от веществ с низким потенциалом (-0,32 В) к веществам с более высоким потенциалом (+0,82 В), поскольку любое соединение может отдать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом (таблица 1).

Таблица 1

Стандартные редокс-потенциалы биомолекул дыхательной цепи

Цепь тканевого дыхания можно представить в виде схемы:

В результате биологического окисления (дегидрирования) два атома водорода (в виде двух протонов и двух электронов) от субстрата поступают в дыхательную цепь. Сначала происходит эстафетная передача протона и пары электронов молекуле НАД⁺, превращающейся в восстановленную форму НАД × Н, затем системе флавиновых оснований (ФМН/ФМН × Н₂), следующим акцептором двух протонов и двух электронов является убихинон (УБХ). Далее происходит передача только электронов: два электрона от УБХ × Н₂ принимают на себя последовательно цитохромы в соответствии с величинами их редокс-потенциалов (табл. 1). Последний из компонентов – цитохромоксидаза переносит электроны непосредственно молекуле кислорода. Восстановленный кислород с двумя протонами, полученными от УБХ × Н₂ образует молекулу воды.

1/2 О₂ + 2 Н⁺ + 2 е «Н₂О

Необходимо отметить, что каждая молекула кислорода взаимодействует с двумя электронотранспортными цепями, поскольку в структуре цитохромов возможен только одноэлектронный перенос Fe³⁺ «Fe²⁺.

Особенностью функционирования дыхательной цепи ферментов является наличие ней участков, где соседние компоненты резко отличаются значениями окислительно-восстановительных потенциалов, именно здесь происходит сопряжение окисления с фосфорилированием АДФ (это комплекс 1 НАДН:убихинон, комплекс 3 убихинол:цитохром с и комплекс 4 цитохромоксидазный комплекс). Такой комплекс, встроенный в мембрану фосфолипида способен функционировать как протонный насос (схема 1).

Схема 1.

Расположение пунктов сопряжения в цепи дыхательных ферментов

На каждую пару электронов, переданных по клеточной дыхательной цепи, синтезируется три молекулы АТФ.

Задание 2. Сформулируйте хемиосмотическую концепцию сопряжения, предложенную в 1961 П. Митчеллом (за развитие этой концепции в 1979 ему присуждена Нобелевская премия).

Вариант ответа: Согласно теории Митчелла, свободная энергия транспорта электронов в дыхательной цепи затрачивается на перенос из митохондрий через митохондриальную мембрану на ее наружную сторону ионов водорода (протонов). В результате на мембране возникает разность электрических потенциалов Djи разность химических активностей протонов DpH (внутри митохондрий рН выше, чем снаружи). В сумме эти компоненты дают трансмембранную разность электрохимических потенциалов ионов водорода между матриксом митохондрий и внешней водной фазой, разделенных мембраной:

где R -универсальная газовая постоянная, T -абсолютная температура, F- число Фарадея. Величина обычно составляет около 0,25 В, причем основная часть (0,15-0,20 В) представлена электрической составляющей Dj. Энергия , выделяющаяся при движении протонов внутрь митохондрий по электрическому полю в сторону меньшей их концентрации, используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ. Таким образом, схему окислительного фосфорилирования, согласно этой концепции, можно представить в следующем виде:

Перенос электронов (дыхание) АТФ

Сопряжение тканевого дыхания с окислительным фосфорилированием обеспечивается целостностью внутренней мембраны митохондрий. Это обуславливает возникновение разности потенциалов между её внешней стороной, заряженной положительно, и отрицательно заряженными матриксом и внутренней стороной. Ниже приведена схема трансмембранного переноса протонов и синтеза АТФ в митохондриях.

Дегидрогеназа НАД × Н₂, расположенная на поверхности мембраны митохондрий, обращенной к матриксу, отдаёт пару электронов на дегидрогеназу ФМН. Это позволяет принять пару протонов из матрикса с образованием ФМН × Н_2. Пара протонов, принадлежащих НАД, удаляется на поверхность мембраны.

Дегидрогеназа ФМН × Н₂ выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдаёт убихинону, который получает возможность присоединить пару протонов из матрикса с образованием УБХ × Н_2.

УБХ × Н_2. выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебрасываются на кислород в матриксе с образованием воды.

В результате работы комплекса 1 НАДН:убихинон перекачивается 4 Н⁺, комплекса 3 убихинол:цитохром с –4 Н⁺, через комплекс 4 цитохромоксидазный (цитохром а+а₃) – ещё 2 Н⁺.

В итоге при переносе двух электронов из матрикса на цитоплазматическую поверхность мембраны перекачивается 10 протонов, что ведёт к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны. Разница потенциалов и разница рН обеспечивает движение протонов через протонный канал (фактор F₀) в обратном направлении.

Движение протонов ведёт к активации АТФ-синтетазы (фактор F₁) и синтезу АТФ из АДФ и Н₃РО₄.