Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


—опр€жение окислени€ и фосфорилировани€




 роме π-электронов, транспортируемых от молекулы к молекуле по дыхательной цепи вдоль внутренней мембраны митохондрий, через нее (поперек) перенос€тс€ некоторые частицы: элементарные (протоны) и гораздо более крупные (например, молекулы ј“‘). “ранспорт протонов обеспечивает сопр€жение окислени€ и фосфорилировани€. ¬ажнейша€ роль в этом процессе принадлежит Ќ-ј“‘азе (протонной помпе), встроенной во внутреннюю митохондриальную мембрану.

«а счет свободной энергии, выдел€емой при транспорте по дыхательной цепи (ƒ÷) пары электронов, образуютс€ 3 молекулы ј“‘. „исло молекул ј“‘, синтезированных при окислении того или иного вещества, определ€етс€ количеством пар электронов, поставл€емых им в ƒ÷. ¬ целом восстановление ќ2 до Ќ2ќ может быть представлено в виде реакций:

«начит, в ƒ÷ с предшествующих этапов расщеплени€ органических веществ в клетке должны поступать атомы водорода, €вл€ющиес€ непосредственными источниками электронов, переносимых по ней. ќни образуютс€ главным образом при расщеплении воды, катализируемом специальными ферментными системами. —реди них важнейша€ роль в качестве предварительной стадии окислительного фосфорилировани€ принадлежит так называемому циклу  ребса. ќт него начинаютс€ пути многих биосинтетических процессов (синтез углеводов, липидов, белков и других сложных органических соединений).

¬месте с тем он служит основным поставщиком электронов и протонов на Ќјƒ+. ¬ реакци€х цикла  ребса образуютс€ —ќ2, Ќ+ и электроны, восстанавливающие Ќјƒ+ до ЌјƒЌ. ¬ курсе биохимии цикл  ребса изучаетс€ детально. ќкисление одной молекулы пировиноградной кислоты без участи€ в этой реакции цикла  ребса дает 4 протона и 4 электрона, перенос которых по ƒ÷ обеспечивает синтез 6 молекул ј“‘. ѕри участии цикла  ребса в расщеплении молекулы пирувата дыхательна€ цепь получает 10 протонов и 10 электронов, за счет чего синтезирует 15 молекул ј“‘. —ледовательно, основное назначение цикла  ребса в клеточном дыхании состоит в повышении выхода свободной энергии из органических соединений путем катализа расщеплени€ воды дл€ образовани€ большего количества протонов и электронов, поставл€емых далее в ƒ÷.

ƒл€ получени€ общего представлени€ о значимости окислительного фосфорилировани€ в энергетическом обеспечении организма полезно количественно оценить синтез ј“‘ при расщеплении глюкозы. ѕервой стадией расщеплени€ глюкозы служит гликолиз, в ходе которого кажда€ молекула распадаетс€ на 2 молекулы пировиноградной кислоты. ѕри этом потребл€ютс€ 2 и синтезируютс€ 4 молекулы ј“‘. —уммарно в результате превращени€ 1 мол€ глюкозы в пируват организм получает 2 мол€ ј“‘. ѕроцесс идет в анаэробных услови€х. ¬ отсутствие кислорода пировиноградна€ кислота восстанавливаетс€ до молочной, котора€ выводитс€ из организма. ќгромна€ энерги€, заключенна€ в этом веществе, не используетс€ организмом. Ёффективность использовани€ энергии при анаэробном гликолизе ничтожна Ч около 2%.

¬ аэробных услови€х 2 молекулы пировиноградной кислоты, образовавшиес€ при распаде молекулы глюкозы, не восстанавливаютс€, а окисл€ютс€ далее до —ќ2 с участием цикла  ребса и дыхательной цепи. ¬ цикле  ребса синтезируютс€ еще 2 молекулы ј“‘. ƒалее в ƒ÷ поставл€ютс€ 12 пар электронов, но две из них поступают не на Ќјƒ+, а через ‘ѕ на кофермент Q, обеспечива€ синтез двух, а не трех молекул ј“‘ в расчете на пару электронов. —ледовательно, за счет транспорта по ƒ÷ этих двух пар электронов, миновавших Ќјƒ+, синтезируютс€ 4 молекулы ј“‘. ќстальные 10 пар электронов перенос€тс€ по ƒ÷ от ЌјƒЌ до ќ2, и за счет них синтезируютс€ 30 молекул ј“‘.

¬ целом при окислении 1 мол€ глюкозы происходит образование 38 молей ј“‘. Ёффективность использовани€ свободной энергии при аэробном окислении глюкозы составл€ет при таком расчете около 42%.

Ёто нижн€€ граница возможных значений. ≈сли же прин€ть во внимание физиологические концентрации различных ингредиентов окислени€ и фосфорилировани€, то эффективность использовани€ свободной энергии достигает 60%. ¬месте с тем не вс€ остальна€ энерги€ (40%) рассеиваетс€ в виде тепла. ћного энергии затрачивает митохондри€ на активный транспорт веществ через ее мембраны, т. е. преобразуетс€ также в один из видов полезной работы организма. ¬ сумме синтез ј“‘ и трансмембранный перенос веществ используют более 75% свободной энергии, освобождающийс€ при биологическом окислении глюкозы.

ѕри окислении жиров образуетс€ больше ј“‘, чем при окислении углеводов, но на это уходит гораздо больше кислорода, чем на окисление глюкозы. „тобы синтезировать 1 моль ј“‘ в миокарде посредством окислени€ жирной кислоты, нужно затратить на 17% кислорода больше, чем в аналогичном процессе с участием глюкозы. ѕоэтому  ѕƒ окислительного фосфорилировани€ при метаболизме жиров значительно ниже, чем при метаболизме углеводов.

 лючевой проблемой окислительного фосфорилировани€ остаетс€ механизм сопр€жени€ транспорта электронов по ƒ÷ и фосфорилировани€, т. е. синтеза ј“‘, в митохондри€х.

—уществуют 3 основные гипотезы сопр€жени€ окислени€ и фосфорилировани€: химическа€, механохимическа€, химиоосмотическа€.

1. —огласно химической гипотезе, посредниками между переносом электронов по ƒ÷ и синтезом ј“‘ служат неизвестные пока химические вещества, которые принимают на себ€ возбужденные электроны и затем перенос€т их на јƒ‘ или ортофосфат дл€ синтеза ј“‘ при их взаимодействии. ѕредпосылкой химической гипотезы €вилось обнаружение таких Ђпервичных макроэрговї в процессе синтеза ј“‘ при анаэробном гликолизе. ¬ митохондри€х ничего подобного не нашли, хот€ тщательно искали.

2. ¬ соответствии с механохимической гипотезой, перенос электронов дыхательными ферментами создает их напр€женную конформацию, т. е. сжимает молекулу фермента наподобие пружины. ƒалее энерги€, накопленна€ такой макромолекулой, предаетс€ в форме механической деформации компонентам протонной помпы, образующим с дыхательными ферментами прочные комплексы. ѕри последующем расслаблении напр€женных молекул накопленна€ ими энерги€ идет на синтез ј“‘. јвторы механохимической гипотезы вид€т подтверждение ее основных положений в том, что перенос электронов по ƒ÷ сопровождаетс€ деформаци€ми митохондриальных крист. ќднако эти изменени€ происход€т довольно медленно. Ѕольшинство исследователей считают их не причиной, а следствием окислительного фосфорилировани€.

3. ќсновной постулат химиоосмотической гипотезы состоит в том, что энерги€, освобождающа€с€ при окислении, вначале накапливаетс€ в форме электрического и концентрационного градиентов на внутренней мембране митохондрии, а уже они непосредственно обеспечивают преодоление энергетического барьера в реакции фосфорилировани€. ’имиоосмотическа€ гипотеза со времени создани€ ее ѕ. ћитчеллом в 1961 г. не опровергнута ни одним экспериментом, но и не приобрела всех необходимых пр€мых доказательств. » все же из года в год накапливаютс€ аргументы в ее пользу.

ѕотенциальный барьер в реакции фосфорилировани€ јƒ‘ преодолеваетс€ за счет работы внутренней митохондриальной мембраны, котора€ преобразует перепад восстановительного потенциала между начальным и конечным компонентами ƒ÷ в осмотическую энергию трансмембранного градиента протонов и в электрическую энергию разности потенциалов между цитозолем и митохондриальным матриксом. ѕоддержание определенного концентрационного градиента Ќ+ на митохондриальной мембране Ч необходимое условие сопр€жени€ окислени€ и фосфорилировани€, которое нарушаетс€ не только при его падении, но и при избыточном повышении. ¬о втором случае транспорт электронов по ƒ÷ тормозитс€, вплоть до полной остановки, а на некоторых участках они идут всп€ть, создава€ обратный электронный поток.

ѕо-видимому, в результате переноса электронов по ƒ÷ во внутренней мембране митохондрии образуетс€ не вода, а Ќ+ и ќЌ-, которые благодар€ векторным свойствам этой мембраны выдел€ютс€ из нее по разные стороны (матрикс и межмембранное пространство) митохондрии. ¬следствие высокой проницаемости наружной митохондриальной мембраны Ќ+- легко выход€т в цитозоль, создава€ там более низкий рЌ, чем в матриксе, куда протоны не могут проникнуть из-за крайне слабой проницаемости внутренней митохондриальной мембраны дл€ них. ќдин акт восстановлени€ молекулы ќ2 до Ќ2ќ приводит к выделению 4Ќ+ в цитозоль и 4ќЌ- в матрикс. »збытки ионов противоположного знака по обе стороны мембраны создают на ней разность потенциалов пор€дка 200Ч250 м¬, причем митохондриальный матрикс приобретает отрицательный потенциал относительно цитозол€. “ак митохондри€ накапливает электрическую энергию. ћитохондрии, на мембране которых поддерживаетс€ протонный градиент, называютс€ энергизованными.

“аким образом, энерги€ возбужденных электронов преобразуетс€ на внутренней мембране митохондрии в осмотическую и электрическую, вследствие чего создаемс€ протондвижуща€ сила, котора€ стремитс€ обеспечить трансмембранный перенос Ќ+-ионов дл€ выравнива€ их концентрации внутри и вне митохондрии, но этому преп€тствует внутренн€€ мптохондриальна€ мембрана.

ѕредполагают, что вывод протонов из внутренней митохондриальной мембраны в цитозоль происходит в трех участках дыхательной цепи:

1) между ЌјƒЌ и коэнзимом Q;

2) между цитохромами в и с1;

3) между цитохромом с и цитохромоксидазой.

Ќар€ду с дыхательной цепью важнейшим элементом, €вл€етс€ сложный молекул€рный комплекс Ќ-ј“‘азы, котора€ здесь выполн€ет функцию синтеза ј“‘ и поэтому называетс€ Ќ-ј“‘синтетазой (или Ќ-ј“‘синтазой).

¬ ней выделили две части: 1) мембранную Ч гидрофобный белковый комплекс, образующий канал дл€ Ќ+ во внутренней митохондриальной мембране (F0) и 2) матричную Ч гидрофильный фактор сопр€жени€, выступающий из мембраны в матрикс (F1).

¬есь фермент по своему строению похож на гриб, ножку которого образует F0, а сферическую головку Ч F1. ≈жесуточно он нарабатывает такое количество ј“‘, которое сопоставимо с массой тела взрослого человека с  ѕƒ почти 100%.

ћожно считать доказанным, что ферментативна€ активность Ќ-ј“‘синтетазы непосредственно св€зана с вращением ее γ-субъединицы в полости гексамера. ѕри таком повороте измен€етс€ конформаци€ всех трех каталитических (т. е. катализирующих реакцию јƒ‘ + Ќ3–04 = ј“‘ + Ќ20) β-субъединиц комплекса F1, что и обеспечивает активирование фермента. ќн работает как электромотор, подвижна€ часть которого вращаетс€ при пропускании электрического тока через обмотку. ¬ отличие от технических электромоторов, в Ќ-ј“‘синтетазе ток через обмотку статора обусловлен потоком не электронов, а протонов.

≈сли Ќ+-ионы пойдут из цитозол€ в матрикс не по каналу в F0, а иначе, то ј“‘ не синтезируетс€ даже при весьма интенсивном транспорте электронов по дыхательной цепи и обусловленным им выбросе Ќ+-ионов в цитозоль (с закислением его).“акое состо€ние возникает не только под действием искусственных протонофоров, но и имеет место в естественных услови€х в так называемом буром жире. Ёта ткань присутствует у эмбрионов и новорожденных детей, а также у животных, впадающих в зимнюю сп€чку. ¬о внутренних мембранах митохондрий клеток бурого жира содержитс€ особый транспортный белок (естественный протонофор), который позвол€ет Ќ+-ионам свободно переходить в сторону более низкого электрохимического потенциала из цитозол€ в митохондриальный матрикс, мину€ канал F0. ¬ результате клетки бурого жира весьма интенсивно окисл€ют жир, но энерги€ возбужденных л-электронов преобразуетс€ преимущественно в тепло, а не в химическую энергию синтеза ј“‘. Ёто важный механизм защиты организма от переохлаждени€.

 ак только протонный канал в F0 открываетс€, в него устремл€ютс€ ионы водорода из цитозол€ Ч возникает протонный электрический ток в Ђобмоткахї молекул€рного электромотора (Ќ-ј“‘синтетазы). ѕоток зар€женных частиц (Ќ+) приводит в движение его ротор (у-субъединицу комплекса F1), ¬ращение у-субъединицы в статоре Ќ-ј“‘синтетазы происходит скачками (дискретно) с шагом в 120∞. ƒл€ совершени€ ротором такого шага через канал должны пройти 2Ч3 иона водорода. ѕри каждом скачке развиваетс€ усилие в 40 пиконьютонов и синтезируетс€ 1 молекула ј“‘. ѕолный оборот ротора происходит за 3 скачка Ч при этом образуютс€ 3 молекулы ј“‘.





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-05-08; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1325 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

80% успеха - это по€витьс€ в нужном месте в нужное врем€. © ¬уди јллен
==> читать все изречени€...

2057 - | 1926 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.012 с.