Окислительное фосфорилирование

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, окислительное фосфорилирование – это катаболический процесс синтеза АТФ, являющийся завершающим этапов дыхания. При этом НАДН и ФАДН2 окисляются молекулярным кислородом с постепенным переносом электроном, насчитывающим четыре этапа. Весь процесс в совокупности называется дыхательной цепью переноса электронов.
Процесс окисления сопряжен с процессом фосфорилирования вероятно благодаря протонному потенциалу, возникающему на внутренней мембране митохондрий в процессе транспорта электронов.
Исходя из всего вышесказанного, можно заключить, что окислительное фосфорилирование – это сложнейший процесс, который охватывает десятки реакций и задействует сотни органических и неорганических веществ.




...

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Место окислительного фосфорилирования в метаболизме 5
Глава 2. Общие сведения об организации дыхательной цепи транспорта электронов. Дыхательные комплексы I, II, III, IV 7
Глава 3. Окислительное фосфорилирование 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15

ВВЕДЕНИЕ
Живой организм – это открытая система, в которую непрерывно поступает вещества и энергия и из которой выводятся продукты обмена веществ. При этом в клетках происходят сотни реакций, формирующих метаболические пути (последовательное превращение одного вещества в другое), совокупность которых называется метаболизмом
Глобально все метаболические пути можно объединить в две взаимосвязанные системы, а именно:
1. Катаболизм, т.е. энергетический обмен, или диссимиляция, сутью которого является распад поступивших питательных веществ на более простые и окисление различных веществ, сопровождающееся выделением энергии. Конечными продуктами катаболизма у животных и человека является вода, углекислый газ и мочевина.
2. Анаболизм, т.е. пластический обмен, или ассимиляция, представляющий со бой совокупность биосинтетических процессов, происходящих с затратой энергии [3, с. 108, 264].
При катаболизме происходит расщепление полимерных органических веществ (белки, жиры, сложные углеводы) до мономеров, и их последующее окисление с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ. Один из вариантов образования молекул АТФ, который осуществляется посредством переноса протонов и электронов с помощью окислительно-восстановительных ферментов называется окислительным фосфорилированием [9, с. 216].
Целью данной работы является систематизация знаний об окислительном фосфорилировании.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, а именно:
1. Определить роль и место окислительного фосфорилирования в метаболическом процессе;
2. Изучить этапы окислительного фосфорилирования.

2) [6, с. 357].Комплекс I представляет собой фермент НАДН убихинон оксиредуктазу, состоящую из 46 субъединиц и имеющую молекулярную массу 1000 кДа. Кроме того в составе комплекса имеются ферр-серный кластер (FeS1, FeS2, FeS3, FeS4) (рис. 3) [2, с. 140; 6, с. 357-358]. Комплекс II – это сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, или сукцинатдегидрогеназа. Фермент отличается тем, что включен как в цикл карбоновых кислот, так и в процесс окислительного фосфорилирования. Фермент состоит из 4 субъединиц, ферро-серного кластера, состоящего из трех типов FeS-центров (4 Fe-4S, 3Fe-4S, 2Fe-2S), и гема (рис. 4) [2, с. 140; 6, с. 358-359].Комплекс III – это цитохром-bc1-комплекс, или убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. Комплекс состоит из 2 субъединиц, каждая из которых имеет 11 белковых субъединицы, одинферро-серный кластер (FeSIII), цитохромы bk, b588 и c1 [2, с. 143; 6, с. 358-359].Комплекс IV – цитохром с-оксидаза. Этот комплекс состоит из 13 субъединиц, двух гемных групп, двух атомов меди, которые связан остатками гистидина, метионина и глутамата (рис. 5) [2, с. 144; 6, с. 358-359].Рис. 2.Дыхательная цепь митохондрий [7, с. 199]Рис. 3. Строение комплекса I [2, с. 142]Рис. 4. Строение комплекса II [2, с. 142]Рис. 5. Строение комплекса IV [2, с. 144]Глава 3. Окислительное фосфорилирование Окислительное фосфорилирование есть сопряжение двух клеточных процессов, а именно экзергической реакции окисления восстановленных молекул (НАДНН+ или ФАДН2) и эндэрегической реакции фосфорилирования АДФ с образованием АТФ [7, с. 200].Рассмотрим подробно каждый из этих процессов, начиная с процесса окисления. В данном процессе учувствуют те комплексы, которые были нами рассмотрены в главе 2.Функция комплекса I заключается в том, что он катализирует окисление НАДН, сопровождающееся передачей двух электронов с помощью убихинона, или кофермента. Суммарно данный процесс можно записать как НАДНН + Н+ + CoQ → НАД+ + CoQH2. В данном случае CoQ – это окисленная хиноидная форма убихинона, а CoQH2 – это восстановленная гидрохинонная форма убихинона [5, с. 354-351; 6, с. 358].НАДН отдает одновременно два электрона на комплекс I в качестве гидрид-иона, т.е. иона, который состоит их двух электронов и одного протона. Убихинон принимает электроны от НАДН-дегидрогеназы, но сначала он принимает один электрон, превращаясь в промежуточный анион – семихинон, прежде чем перейти в полностью восстановленную форму – убихинон. На первом этапе переноса электрона через комплекс I НАДН передает гидрид-ион на ФМН, в результате чего образуется ФМНН2. Последнее соединение окисляется в два этапа через промежуточую форму – семихинон, отдавая два электрона следующему переносчику цепи – ферро-серному кластеру. Такми образом, на уровне ФМН наблюдается конвертирование двухэлектрононго переноса в одноэлектронный, который характерен для всего последующего транспорта электронов по электронной цепи. Далее электроны передаются на убихинон [5, с. 351].Одновременно с переносом электронов комплекс транспортирует протоны из матрикса в межмембранное пространство. При этом на каждые два электрона переносится четыре протона [2, с. 140]. Комплекс II катализирует окисление группы –СН2 – СН2 – сукцината до транс – СН═СН – группы с участием фермента сукцинат дегидрогеназы. Таким образом, в итоге данного этапа окислительного фосфорилирования происходит преобразование сукцинита в фумарат согласно следующей схеме реакции, представленной на рис. 6:Рис. 6. Окисление сукцината до фумарата с участием фермента сукцинат дегидрогеназы [6, с. 358]При переносе двух электронов от сукцината к убихинону происходит восстановление ФАД. Затем два электрона путем одноэлектронного переноса передаются от восстановленного флавина на серию трех феррокластерных комплексов. Цитохром b560, скооперированный с данным комплексом, связан с одной из меньших субъединиц. Однако его роль в транспорте электронов остается ен до конца ясной. Поскольку в ходе реакций, которые катализируются комплексом II, выделяется небольшое количество энергии, этот комплекс не вносит вклада в формирование градиента концентрации протонов через внутреннюю митохондриальной мембрану. Его функции состоят в введении электронов от окисляемого сукцината в электрон-транспортную цепь на уровне убихинона. Убихинон принимает электроны от комплексов I и II и передает их комплексу III [5, с. 352]. Комплекс III катализирует окисление восстановленного кофермента Q с помощью цитохрома с. В зависимости от степени окисления входящего в его состав иона железа данный комплекс обозначается как Fec(II) или Fec(III). Общая схема реакции может быть записана как CoQH2 + 2 Fec(III) → 2 Fec(II) + 2H+ + CoQ [6, с. 358-359].Комплекс III забирает электроны он KoQH2 и передает их на цитохром с. Т.к. цитохромы не обладают неспособностью связывать протоны, четыре протона переносятся комплексом III в межмембранное пространство. Перенос протонов комплексом III в настоящее время объясняется так называемым Q-циклом, схема которого приведена на рис. 7. В механизме цикла учувствуют две молекулы восстановленного KoQ. Вначале одна молекула KoQH2 передает один электрон при участии ферро-серного протеина и цитохрома с1 на цитохром с, а второй электрон – на молекулу KoQ, находящуюся на матриксной половине мембраны. Посредниками этой передачи являются цитохромы b. Принимающая электрон молекула КоQ переходит в форму семихинона. Два протона донорской молекулы кофермента переходят в межмембранное пространство. Молекула второго участника Q-цикла полностью повторяет шаги первой молекулы, но один из электронов передает на семихинонную форму KoQ, полученную в первой половине цикла, последний полностью восстанавливается и, забирая два протона из матрикса, вливается в общий мембранный фонд KoQH2 [2, с. 143]. Рис.7. Взаимосвязь молекулы убихинона с комплексом III дыхательной цепи [2, с. 143]Комплекс IV катализирует перенос электрона от ферроцитохрома с Fec(II) на кислород, завершая тем самым дыхательную цепь. Схема реакции будет при этом записана как 2 Fec (II) + 4Н+ + О2 → 2 Fec (III) + 2H2О [6, с. 359].Т.е. комплекс IV катализирует четырехэлектронное восстановление молекулярного кислорода до воды и осуществят перенос протонов в наружное пространство, окружающее митохондриальную мембрану. Таким образом, в процессе реакций, происходящих в рамках дыхательной цепи при окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов с НАДН на КоQ (комплекс I), с сукцината на КоQ (комплекс II), с КоQН2 на цитохрому с (комплекс III), с цитохрома с на кислород. При этом рядом исследований было установлено, что активность каждого из четырех изолированных комплексов аддитивна, т.е. если смешать комплексы, то сумма окислительно-восстановительных реакций будет соответствовать сумме отдельных реакций дыхательной цепи [7, с. 199].Следующая группа процессов касается фосфорилирования. На данном этапе развития биохимии остается окончательно неясным механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. В разные годы ученые выдвинули три гипотезы, объясняющие данный феномен:Химическая;Конформационная; Химиосмотическая [7, с. 202-206]Химическая гипотеза предполагает, что происходит прямое сопряжение по аналогии с субстратным фосфорилированием. Авторами гипотезы предполагается, что существуют некие гипотетические факторы сопряжения (интермедиаты J), которые способны при окислении образовывать макроэргическую связь и затем переносить ее на синтез АТФ. В настоящее время данная гипотеза не нашла свое подтверждение, т.к.