Всего на сайте:
210 тыс. 306 статей

Главная | Биология, Зоология, Анатомия

Электронотранспортные цепи (митохондрий)  Просмотрен 44

Методические указания для студентов

по теме Электронотранспортные цепи (митохондрий)

Цель занятия: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.

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

№ п\п СИСТЕМА ПОЛУРЕАКЦИЯ РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛ j0, В
  НАД+/НАД×Н НАД+ + Н+ + 2 е « НАД×Н -0,32
  ФАД/ФАД×Н2 ФАД+ + 2Н+ + 2 е « ФАД×Н2 -0,22
  УБХ/ УБХ×Н2 УБХ+ 2Н+ + 2 е « УБХ×Н2 -0,04
  цитохром b   Fe3+ « Fe2+ 0,07
  цитохром с1 0,23 
  цитохром с 0,25 
  цитохром а + а3 Cu2+ « Cu1+ 0,55
  О2/Н2О О2 + 4 Н+ + 4 е « 2 Н2О 0,82
   

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×Н2. 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×Н2.

УБХ×Н2. 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.

Предыдущая статья:III. Задания для самостоятельной работы Следующая статья:Физико-химия поверхностных явлений в функционировании живых систем
page speed (0.0142 sec, direct)