В короткой дыхательной цепи окисляется субстрат, для которых первичным акцептором электронов является флапротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Вещества короткой цепи: янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат).
Первая реакция окисления:
В последующем ФАДН2 при участии (FeS*) + КоQ, окисляется:
Восстановленный КоQ как и в длиной дыхательной цепи системой цитохромов:
Эти дыхательные цепи могут быть разделены на структурно-функциональные форагменты, которые называются окислительные комплексы. В длинной цепи выделяют 3 комплекса, а в короткой 2.
1. Располагается между НАДН2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS комплекс.
2. КоQН2-ДГ (цитохром С-редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeS, белки, цС1
3. Цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цаа3
4. Сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS, сукцинатДГ
Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определенными веществами – ингибиторами.
Первый комплекс – амитал, барбитураты, ротенол
Второй комплекс – малонат
Третий комплекс – антимицин А
Четвертый комплекс – Н2S, цианиды, СО
Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированность протекания реакций образования и реакций использования энергии.
Реакции идущие с высвобождением энергии называется экзоргиническими реакциями с поглощением эндорганическими. Основным экзорганическим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Начальные компоненты НАД окисленный, НАД восстановленный:
Поэтому в ЦПЭ происходит перемещение электронов с большой энергией, в процессе транспорта электронов энергия высвобождается. Та энергия которая может быть использована на выполнение какой-то работы – свободная энергия. В дыхательной цепи энергия рассчитывается.
ΔF = -23*n*Δе,
где n- количество переносимых электронов на атом О2 (2е), Δе – перепад ОВП между началом и концом ЦПЭ.
Δе = 0,82 –(-0,32)=1,14В
ΔF = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль
Эта энергия может быть использована организмом на выполнение различных процессов:
- Механических – сокращение мышц
- Химических – на синтез новых веществ
- Осмотических – перенос ионов против градиента концентрации
- Электрических – возникновение потенциалов в нервной системе
Все организмы в зависимости от энергии, которую они используют делят на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемовары – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.
Макроэргические вещества – вещества при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицеринфосфат, ацилы жирных кислот, АТФ (ГТФ, ЦТФ, УЦФ). Среди перечисленных макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекулярном АТФ заключена энергия на 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) и до 12 ккал/моль в физиологических условиях. Состав АТФ: аденил-рибоза-Н3РО4- Н3РО4-Н3РО4. Синтезируется АТФ из АДФ. Распад АТФ является экзоорганическим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи. Присоединение Н3РО4 называется – фосфолирироваием.
Окислительное фосфолирирование
Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4, за счет энергии транспорта по ЦПЭ. Процессы окисления дыхательной цепи и синтеза АТФ тесно сопряжены. При этом ведущим процессом является транспорт электронов, сопутствующим является фосфолирирование. Участки дыхательной цепи на которых происходит синтез АТФ называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (1, 3, 4 – окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (3,4). Если вещество окисляется в дыхательной цепи, то максимум синтезируются три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования. Он показывает сколько молекул Н3РО4 присоединяется к АДФ при переносе двух электронов на один атом кислорода то есть сколько синтезируется молекул АТФ на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент = 3 для короткой 2.
Механизм окислительного фосфолирирования.
Впервые в тридцатые годы акт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком Энгельгардтом. Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфолирирования стала хемоосмотическая теория Митчелла. Согласно ей при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует освободившийся при переносе электрона энергию. В последствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано непроницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н+ из матрикса в межмембранное пространство. Переносится 6 – 10 Н+.
В результате этого происходит закисление в межмембранном пространстве, возникает переход рН и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий. Совокупность мембранного потенциала и ΔрН и образуют Н+ потенциал –ΔμН+.
Во внутреннюю мембрану митохондрий встроен фермент АТФ-синтетаза, этот фермент олигомерный и имеет две части:
- Формирует во внутренней мембране гидрофильный Н+-канал, по которому Н+ из межмембранного пространства по градиенту концентрации с огромным объемом энергии возвращается в матрикс.
- Направлена в сторону матрикса – фосфолирированной частью. Поток Н+ вызывает конформационные перестройки фосфолирированой части фермента, что сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Н3РО4.