Biochimie Educație

Catabolism substanțelor organice în țesuturi este însoțită de consumul de oxigen și de eliberare a CO2. Acest proces se numește respirația tisulară. Oxigenul în proces este utilizat ca acceptor de hidrogen cu substanțe de oxidare (dehydrogenatable) (substraturi), prin care este sintetizat apă. Procesul de oxidare poate fi reprezentat prin următoarea ecuație: SH2 + 1/2 O2 -> S + H2 O. oxideze diferite substanțe organice (S - substraturi) sunt metaboliți catabolism este ekzoergicheskim procesul lor de dehidrogenare. Energia eliberată în timpul reacțiilor de oxidare, fie complet disipată sub formă de căldură, sau parțial cheltuite pentru fosforilarea ADP pentru a forma ATP. Organismul transformă aproximativ 40% din energia eliberată prin oxidarea, energia legăturilor ATP de mare energie. Cele mai multe organisme din biosferă, metoda utilizează sau foarte asemănătoare (ca un acceptor de hidrogen terminale poate fi oxigen și celălalt compus) ca o sursă majoră de energie necesară pentru sinteza ATP intracelular. În acest fel, celula convertește energia chimică a nutrienților primite din exterior, energia metabolică utilizabili. Reacția de dehidrogenare și o metodă de conversie a energiei eliberate prin sinteza ATP - această reacție de cuplare a energiei. Entirely întregul proces de asociere numit fosforilare oxidativă a ADP.

fosforilării oxidative ADP

lanț de transport de electroni - TSTE

Ecuația de mai sus pentru o reacție redox este o formă generalizată, deoarece substratul prezintă oxidare ca dehidrogenare directă, acționează ca un acceptor de oxigen imediat de hidrogen. De fapt, oxigenul este implicată în transportul de electroni altfel. Purtătorii intermediari acolo pentru transportul de electroni de la sursa SH2 donor de electroni la un acceptor terminal de - O2. Întregul proces este un lanț de reacții succesive de oxidoreducere. în care există o interacțiune între transportatori. Fiecare purtător intermediar inițial acționează ca un acceptor de electroni și protoni din starea oxidată la forma redusă. Apoi, el trece urmatorul transportator de electroni și se întoarce la starea oxidat. În ultima etapă transferă purtătoare electronii de oxigen, care este apoi redus la apă. Un set de reacții redox secvențiale denumit lanțul de transport (transport) de electroni, sau lanțul respirator.

Transferul de electroni și protoni cu purtători intermediari. SH2 - sursa donor de protoni și electroni; P - suporturi intermediare; E1, E2, E3, E4 - enzime reacțiile redox

Vectorul intermediar în lanțul respirator în organisme superioare sunt coenzime: NAD + (nicotinamid adenin), FAD și FMN (flavin adenin dinucleotid și mononucleotidă flavin), Coenzima Q (COQ), o familie de proteine care contin hem - citocromii (denumite citocromul b, C1 C, A. A3) și proteine care conțin fier nonheme. Toți membrii acestui circuit este împărțit în patru ubichinonă legate de sistem redox (COQ) și citocromul C. Procesul începe cu transportul de protoni și electroni ai substratului oxidabil coenzimele NAD + sau FAD. Acest lucru este determinat dacă dehidrogenaza catalizează prima etapă, NAD - dependent sau FAD - dependente. Dacă procesul începe cu NAD +. apoi următorul transportator va FMN.

Secvența de vectori intermediari ai protonii și electronii ale lanțului respirator în

Tipul implicat dehidrogenaza depinde de natura suportului. Dar, indiferent de substrat care, electronii și protonii sunt transferate de la o coenzima flavin Q, și în continuare calea electronilor și protonilor diverg. Electronii prin intermediul sistemului citocrom ajunge la oxigen, care apoi atașați protoni în apă. Pentru a înțelege sistemul de transport de electroni, este necesar să se familiarizeze cu unii dintre membrii săi. NAD - dehidrogenază dependentă catalizează reacția de oxidare a substratului direct (dehidrogenaza primară). NAD + este o coenzima și joacă rolul unui acceptor de hidrogen:

simbol 2H + înseamnă doi electroni și doi protoni sunt în general tolerabile sub formă de ioni de hidrură. În acest caz, în locul termenilor „donor de electroni“ și „acceptor de electroni“ este uneori folosit, termenii „donor de hidrogen sau acceptor.“ FAD - dehidrogenază dependentă de asemenea, servește ca dehidrogenaza primară. Coenzima este FAD, care este acceptorul de hidrogen din substrat. NADH - dehidrogenaza catalizează oxidarea NADH și reducerea ubichinonă (COQ). Este coenzima purtător de hidrogen - FMN (complex 1). In timpul hidrogenul de reacție este mai întâi atașat la FMN, legat cu o enzimă, și apoi transferat la ubichinonă. coenzime Flavin (FAD și FMN), ferm conectate cu ambele grupe de enzime protetice, astfel de enzime de care aparțin, sunt numite flavoproteinelor. Flavin mononucleotidă (FMN) sau fosfat riboflavin, inseparabil legată de partea de proteine a enzimei. Strict vorbind, aceasta nu este o FMN de nucleotide ca parte flavinei legate de ribitol, mai degrabă decât cu riboza.

Ubiquinone (coenzima Q) - derivat izopren:

Numele „ubichinonă“, a apărut din cauza omniprezenței sale în natură. Funcții Coenzima Q ca un transportor de electroni la citocromilor.

Citocromilor - este hemoproteins - proteine care conțin ca și legat ferm protetice hemului grup:

hem grupare prostetică în structura citocromilor

atom de fier din hem poate schimba valență prin atașarea sau dând electroni:

Citocromii lanțului respirator și purtătorii de electroni sunt aranjate în mod corespunzător la dimensiunea potențialului redox după cum urmează: B, C1. C, și a3. grup hem Citocromul legat la partea de proteine a legăturilor donor-acceptor între ion feric și resturile de aminoacizi corespunzătoare:

hem legarea la partea de proteine a citocromului C

Citocromii C și obligațiuni C1 suplimentare covalente sunt formate între cisteină și grupări tio vinii laterale ale hemului. QN2 -degidrogenaza (complex III) reprezintă un complex al citocromului b și C1. Această enzimă catalizează oxidarea redusă Q coenzima și transferul de electroni pentru citocromul C. Electronii sunt transferate secvențial atomii de fier b și citocromul C1. și apoi alimentat la citocromul C. Protonii după oxidare QH2 sunt eliberate în soluție.

Citocromul complex oxidază implică citocromilor o și a3 (IV complex). Citocromul hem conține ioni, altele decât cele de cupru, care sunt capabile să schimbe valența și în acest fel să ia parte la transferul de electroni;

Citocrom transferă oxidază electroni din citocrom C în oxigen. Transferul de electroni implica inițial citocromilor și ioni de fier și a3. și apoi a3 citocromului ioni de cupru. molecula de oxigen se leaga de fier hem a citocromului un a3. În consecință, transferul de electroni la oxigen cu a3 citocrom ioni de cupru. Ea apare pe molecula de enzimă. Fiecare dintre atomii de oxigen ai moleculei leagă doi electroni și un proton, formând astfel o moleculă de apă.

Proteinele care conțin fier nonheme. Unii dintre atomii de fier din mitocondrii este legat nu hem în citocromilor și formează complecși cu alte proteine. Aceste proteine sunt numite si fier-sulf, deoarece atomii de fier conectat la atomii de sulf din resturile de cisteină. Proteinele care conțin fier nonheme, implicat în transferul de electroni în mai multe etape, cu toate acestea, nu sunt în totalitate localizare clară și mecanismul lor de acțiune.

Energia produsă atunci când trecerea fluxului de electroni prin lanțul respirator, conjugatul este utilizat pentru fosforilarea ADP. Aceste două procese interdependente: oxidare nu se poate proceda în absența ADP. Raportul dintre oxidare și fosforilare raportul determinat P / O (număr de moli de fosforilate ADP 1/2 oxigen mol) raportul F / G este coeficientul de fosforilării oxidative și depinde de punctul de a intra reducând echivalentelor la lanțul de transport de electroni. De exemplu, P / D = 3, pentru substraturi NAD oxidate - dehidrogenaza dependente. deoarece în lanțul respirator au trei porțiuni, în cazul în care transferul de electroni cuplat la sinteza ATP. Nu toate substraturile electroni transmise și protoni la DNA, unele FAD oxidat - dehidrogenaze dependente, care protonii și electronii sunt transferați direct la ubiquinone, ocolind primul set. În acest caz, P / D = 2. De fapt, raportul Fosforilarea este întotdeauna mai mică decât valoarea teoretică, deoarece o parte din energia eliberată în timpul transportului electronilor este consumat decât sinteza ATP și pentru transportul substanțelor prin membrana mitocondrială.

În ziua în care persoana care consuma o medie de 27 de moli de oxigen. Cantitatea de bază (aproximativ 25 mol) a fost utilizat in mitocondrii lant respirator. Prin urmare, sintetizat zilnic 125 moli ATP sau 62 kg (calculat folosind coeficientul de P / D = 2,5, adică valoarea medie a coeficientului de fosforilare). Masă toate ATP conținute în organism este de aproximativ 20-30 g Prin urmare, putem concluziona că fiecare moleculă de ATP pe zi se execută de 2500 de ori hidroliza și sinteza care caracterizează intensitatea metabolismului ATP.

Conjugarea lanțului respirator din procesul de sinteză ATP

Existența unui astfel de asociere este dovedit că este posibil de a inhiba formarea de ATP fără proces de transport de electroni deranjant. Acest lucru se realizează prin adăugarea de substanțe chimice, numite declanșatoare. După îndepărtarea deconectant sintezei ATP este restabilită. Studiul mecanismului de asociere oferă un răspuns la întrebările de bază:

modul în care transportul de electroni este o sursă de energie?
această energie este transferată la ADP + Pi reacție a ATP?

Există mai multe ipoteze pentru a explica mecanismul de împerechere. Una dintre ele este teoria hemoosmoticheskaya. funcționării lanțului de transport de electroni ca un proton (H +) pompa. efectuarea transferului de protoni din matrice prin membrana interioara a spatiului intermembrane. Endoergichesky proces de ejecție proton din matricea ekzoergicheskih posibil datorită reacțiilor redox ale lanțului respirator. transferul de protoni conduce la o diferență de concentrație H + din două părți ale membranei mitocondriale: concentrația mai mare va scădea și exteriorul - interior. Mitocondriile rezultată intră „sub tensiune“ de stat, deoarece există un gradient de concentrație de H + și, simultan, diferența de potențial electric cu un semn plus pe suprafața exterioară.

potențial electrochimic este capabil de a efectua munca „utilă“, face protonii se deplaseze în direcția opusă, dar membrana este impermeabil la ele în plus față de site-uri individuale, numite canale de protoni. transfer invers de protoni în matricea este un proces ekzoergicheskim. eliberat în același timp energia este utilizată în fosforilarea ADP. Această reacție este catalizată de enzima H + -ATP sintetazei. situate în canalele de protoni pe suprafața interioară a membranei interioare.

Cu Fosforilarea opryazhenie lanț de transport de electroni și ADP cu gradient de protoni

Cu truktura componente complexe I, asigură funcționarea „pompă de protoni“, atunci când NADH oxidare

Decuplarea respirației și fosforilarea

dovezi experimentale edificator pentru mecanismul descris respirație conjugare și fosforilare au fost obținute folosind ionofori. Moleculele acestor compuși sunt în general lipofil și sunt capabili de a transfera ioni prin membrană. De exemplu, 2,4-dinitrofenol (protonophore) dispersează ușor prin membrana în formă ionizată și neionizată, transferarea protonii spre concentrația lor inferioară ocolind canalele de protoni. Astfel, 2,4-dinitrofenol distruge potențialul electrochimic, iar sinteza ATP-ul este imposibilă, deși se produce astfel oxidarea substraturilor. Energia lanțului respirator, în acest caz, este disipată în întregime sub formă de căldură. Aceasta explică acțiunea pirogenă a declanșatoare. Decuplarea actiune hormon tiroidian - tiroxina, precum și anumite antibiotice, cum ar fi valinomicina și gramicin.

viteza de respirație mitocondrială poate fi controlată prin concentrația ADP. Acest lucru se datorează oxidării și fosforilarea strâns asociat. Energia necesară pentru a produce celula de lucru, vine în detrimentul hidroliza ATP. concentrația de ADP, astfel, crește; ca urmare a condițiilor pentru accelerarea respirației, ceea ce duce la completarea rezervelor de ATP.

Inhibitorii lanțului de transport de electroni și fosforilarea oxidativă

Inhibitorii care blochează funcția respiratorie a lanțului în anumite locuri, prin inhibarea enzimelor respiratorii (KCN, barbiturice, rotenone). Există, de asemenea, substanțe care inhibă fosforilarea oxidativa.