ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ – это последовательность окислительно-восстановительных реакций, в результате которых происходит последовательный перенос водорода и электронов от субстрата к кислороду.
Всю систему реакций и ферментов тканевого дыхания называют дыхательной цепью.
Процесс дыхания протекает в митохондриях, которые в связи с этим называют «энергетическими станциями» клеток. Дыхательная цепь у человека и высших животных состоит из трех основных звеньев.
Первое звено – процессы дегидрирования субстратов, катализируемые преимущественно никотинамидными ферментами НАД и НАДФ.
Второе звено – процессы окисления восстановленных форм никотинамидных ферментов (НАД · Н + Н+ и НАДФ · Н + Н+), катализируемые главным образом флавиновыми ферментами.
Третье звено – процессы окисления восстановленных форм флавиновых ферментов, катализируемых системой цитохромов.
Переносчиками электронов и протонов водорода являются ферменты дыхательной цепи – оксидоредуктазы. Направление переноса протонов и электронов определяет окислительно-восстановительный потенциал – редокс-потенциал. Дыхательная цепь включает последовательно звенья с нарастающим значением окислительно-восстановительного потенциала. Для пары (НАДН + Н+)/НАД+ редокс-потенциал равен 0,32 В. Следовательно, электроны будут легко отщепляться и переносится на комплексы, имеющие меньшую отрицательную и большую положительную величину редокс-потенциала.
Соединения, последовательно принимающие и отдающие протоны и электроны, играют роль промежуточных переносчиков. Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии, т.е. они экзэргоничные. Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Если бы реакция протекала непосредственно между субстратом и кислородом, то вся энергия окисления высвобождалась бы одновременно. Так, реакция соединения водорода с кислородом сопровождается взрывом, так как образуется «гремучий газ», выделяется большое количество тепла. Отличием биологического окисления от этой реакции является: 1) постепенное, поэтапное выделение энергии; 2) окисляется не молекулярный водород, а водород, включенный в состав субстратов – (S · Н2); 3) энергия высвобождается не только в виде тепла, но и аккумулируется в виде АТФ.
|
|
Биологическое окисление – процесс, в ходе которого окисляющиеся субстраты теряют протоны и электроны, т.е. являются донаторами водорода, промежуточные переносчики – акцепторами-донаторами, а кислород – конечным акцептором водорода.
Схему биологического окисления можно представить так:
|
|
|
|
|
|
Н+, е Н+, е Н+, е Н+, е Н+, е
А В С D О2
На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который восстанавливается до воды:
½ О2 + 2е → О¯2;
О¯2 + 2Н+ → Н2О.
Понятие биологическое окисление и тканевое дыхание однозначны, если речь идет о биологическом окислении при участии кислорода.
Такой тип окисления можно называть еще аэробным окислением. Это основной путь окисления, поставщик значительной части энергии, в которой нуждается клетка (организм). Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: НАД, ФАД, ФМН, Ко-Q, семейство гемсодержащих белков – цитохромов и белки, содержащие негеминовое железо. Различают цитохромы b, с1, с, а, а3, которые способны переносить электроны благодаря наличию в их составе ионов металла.
|
|
Все участники дыхательной цепи 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 – флавинмононуклеотид, который способен восстанавливаться, присоединяя два атома водорода (т.е. 2 протона и 2 электрона), отдаваемых пиридиновыми дегидрогеназами (НАД – зависимая дегидрогеназа). ФАД + 2Н ↔ ФАДН2.
Кроме ФМН-зависимых ферментов, в состав I комплекса входят пять железосерных белков, которые осуществляют разделение потока протонов и электронов. При этом электроны от ФМН · Н2 переносятся к внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны, здесь они выделяются в межмембранное пространство.
Субстраты (SН2) проникают в матрикс митохондрии и подвергаются воздействию НАД+-зависимых дегидрогеназ:
SН2 + НАД+-ДГ-аза → S + НАДН-ДГ-аза + Н+.
Символом SН2 обозначаются такие субстраты, как пировиноградная кислота, изоцитрат, малат, оксипроизводные жирных кислот, глутаминовая кислота и другие аминокислоты.
|
|
Пиридиновые дегидрогеназы способны отнимать протоны и электроны у субстратов реакций, протекающих в матриксе, и передавать их первому комплексу дыхательной цепи (см. схему выше). Пиридиновые дегидрогеназы включают кофермент НАД+, в который входит витамин РР (производное пиридина). Окисленная форма (НАД+) называется пиридиниевым катионом.
В I комплексе дыхательной цепи непосредственно АТФ не образуется, а высвобождающаяся энергия аккумулируется или рассеивается в виде тепла.
II комплекс дыхательной цепи: сукцинат – убихинон – оксидоредуктаза.
Этот комплекс отличается меньшей молекулярной массой, содержит железосерные белки. С этим комплексом взаимодействует сукцинат, поступающий из матрикса митохондрий, а также жирные кислоты, которые находятся в матриксе. Коферментом комплекса является ФАД – флавинадениндинуклеотид.
В результате включения водорода субстратов через ФАД-зависимые дегидрогеназы (II комплекс) энергия в основном рассеивается в виде тепла, так как падение редокс-потенциала на этом участке дыхательной цепи незначительное (около 0,05 В) и 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 (возможно, с участием какого-то индивидуального переносчика), а протоны при этом высвобождаются в межмембранное пространство.
III комплекс дыхательной цепи: убихинол – цитохром-с – оксидоредуктаза.
IV комплекс дыхательной цепи: цитохром-с – оксидаза.
В состав III и IV комплексов входят сложные белки – цитохромы. Цитохромы b и с1 объединены в III комплекс дыхательной цепи. Цитохромы а и а3 образуют IV комплекс дыхательной цепи.
Работа III комплекса заключается в транспорте электронов от убихинола на цитохрос с. Ферменты III комплекса способны захватывать из матрикса протоны и переносить их в межмембранное пространство. При этом существенно падает ОВ потенциал (от –0,04 В цитохрома «b» до +0,25 В цитохрома «с»), а высвободившейся энергии достаточно для синтеза одной молекулы АТФ.
От III комплекса электроны переносятся на IV при помощи очень подвижного фермента цитохромоксидазы (цитохром «с»). В своем составе этот фермент содержит 104 аминокислоты и одну гемподобную структуру. Такая молекула способна активно перемещаться, совершая челночные движения вдоль внешней поверхности мембраны от III к IV комплексу. Цитохром «с» при этом переносит только электроны, попеременно восстанавливаясь и окисляясь. В отличие от других цитохромов 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.
СХЕМА ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
НАДН + Н+
 |
Сукцинат
 |
АДФ АТФ
 |
|
 |
АДФ АТФ
 | |||
 |
О2