Путь переноса электронов – дыхательная цепь

 

Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, окисляются молекулярным кислородом до Н₂О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Происходит это, когда водород, отделившийся от НАДН или ФАДН₂, передается по цепи, включающей по меньшей мере 5 переносчиков – флавопротеид, кофермент Q и несколько разных цитохромов. В конце цепи электроны соединяются с молекулярным кислородом с образованием аниона О^2–. Соединяясь с протонами водорода, эти анионы образуют воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. Переносчики сгруппированы таким образом, что в трех пунктах цепи при переходе водородных атомов от одного переносчика к другому, небольшое количество энергии высвобождается и включается в молекулу АТФ.

 

НАДН + Н⁺ + Е₁ – ФАД → НАД⁺ + Е₁ – ФАДН₂

Е₁ – ФАДН₂ + 2Е₂ – Fe(111) → E₁– ФАД + 2Е₂ – Fe(11) + 2H⁺

2E₂ – Fe(11) + 2H⁺ + KoQ → 2E₂ – Fe(111) + KoQH₂

KoQ H₂ + 2 Цит.b(111) → KoQ + 2H⁺ + 2 Цит.b(111)

2Цит.b(11) + 2 Цит.с(111) → 2Цит.b(111) + 2Цит.с(11)

2Цит.с(11) + 2 Цит. а (111) → 2Цит.с(111) + 2Цит.а(11)

2Цит.а(11) + 2Цит.а₃(111) → 2Цит.а(111) + 2Цит.а₃(11)

2Цит.а₃(11) +1/2О₂ + 2Н⁺ → 2Цит.а₃(111) + Н₂О

 

Считается, что на участке НАДН и КоQ (убихинон - вездесущий хинон) осуществляется двухэлектронный перенос, а на участке между цитохромом b и кислородом – одноэлектронный. Молекулы–переносчики электронов, составляющие цепь переноса электронов, сгруппированы в надмолекулярные структуры – дыхательные ансамбли. Эти дыхательные ансамбли встроены в структуру внутренней митохондриальной мембраны. Переносчики, располагающиеся рядом в цепи переноса, ориентируются, вероятно, таким образом, что их простетические группы могут контактировать друг с другом благодаря определенным колебательным и вращательным движениям.

Процесс переноса электронов через всю дыхательную цепь, от НАДН к молекулярному кислороду, сопровождается очень большим уменьшением свободной энергии, а именно на 52, 7 ккал. Для образования АТФ из АДФ и фосфата необходимо только 7, 3 ккал. Очевидно, что уменьшение свободной энергии при переносе одной пары электронов от НАДН до кислорода достаточно велико для того, чтобы обеспечить возможность синтеза нескольких молекул АТФ из АДФ и фосфата в стандартных условиях при условии наличия соответствующего механизма сопряжения. Изменение свободной энергии, сопровождающее перенос пары электронов от НАД*Н к кислороду, можно разбить на 3 части, каждая из которых соответствует определенному участку дыхательной цепи и достаточна для того, чтобы обеспечить фосфорилирование АДФ до АТФ в сопряженной реакции. Эти реакции окислительного фосфорилирования сохраняют около 40% энергии.

Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием была впервые высказана в Советском Союзе Энгельгардтом еще в начале 30 годов. В настоящее время общепризнанно, что необходимым условием окислительного фосфорилирования является целостность структуры внутренней мембраны митохондрий.

 

Суммарное уравнение процесса фосфорилирования в дыхательной цепи:

НАДН + 2Н⁺ + 3 АДФ + Фн + 1/2 О₂ → НАД⁺ + 4 Н₂О + 3 АТФ

Экзергонический компонент:

НАДН + 2Н⁺ + 1/2 О₂ → НАД⁺ + Н₂О DG¢ = – 52, 7 ккал

Эндергонический компонент:

3 АДФ + 3 Фн → 3 АТФ +3 Н₂О DG¢ = + 21, 9 ккал

 

 

Рис.14. Окислительно-восстановительные потенциалы переносчиков электронов в электрон-транспортной цепи митохондрий и места сопряжения окисления и фосфорилирования

Очевидно, что при сопряженном фосфорилировании, в результате которого образуется 3 молекулы АТФ, запасается 21, 9/52, 7*100, т.е. около 40% всей энергии, освобождающейся от переноса электронов от НАДН к кислороду. Окисление всех связанных с НАД субстратов, происходящее в митохондриях за счет молекулярного кислорода, сопровождается образованием 3 молекул АТФ. Была установлена также примерная локализация трех участков дыхательной цепи, в которых происходит запасание энергии, основанная на термодинамических расчетах и экспериментальных данных (рис.14): 1) один из флавопротеидов цепи, 2) место, в котором пара электронов переходит от цитохрома b к цитохрому с, 3) место, где пара электронов переходит от цитохрома а к кислороду. Таким образом, дыхательная цепь напоминает каскадное устройство, поставляющее клетке свободную энергию удобными для нее порциями.

Баланс энергии

Суммарные реакции аэробного дыхания:

С₆Н₁₂О₆ + 2 Фн + 2 АДФ + 2 НАД⁺ → 2 Пируват + 2 НАДН + 2 Н⁺ + 2 АТФ + 2Н₂О

2 Пируват + 2 НАД⁺ → 2 Ацетил–S–КоА + 2 НАДН + 2 Н⁺ + 2 СО₂

2Ацетил–S–КоА+6НАД⁺+ФП+2АДФ+2Фн → СО₂ +6НАДН +6Н⁺ + ФПН₂ + 2АТФ

 

Суммируя три уравнения пролучим:

Глюкоза+Фн +4АДФ+НАД⁺+ФП → 6СО₂ + 10НАДН +10Н⁺ + 4АТФ + ФПН₂ +2Н₂О

10 НАДН + 10 Н⁺ + 32 Фн + 32 АДФ + 6 О₂ + 3 ФПН₂ → 32 АТФ + 40 Н₂О

Экзергонический компонент:

Глюкоза + 6 О₂ → 6 СО₂ + 6 Н₂О DG¢ = – 680 ккал

Эндергонический компонент:

34 Фн + 36 АДФ 36 АТФ + 42 Н₂О DG¢ = + 263 ккал

Таким образом, общая эффективность накопления энергии составляет 263/680*100=39%.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: