УРАЛЬСЬКА ДЕРЖАВНА МЕДИЧНА АКАДЕМІЯ

Кафедра біоорганічної та біологічної хімії

Курсова робота НА ТЕМУ:

Біологічне окислення.

Виконавці: студентки педіатричного факультету 223 групи

Заруба Н.С., Чащина О.Є.

Керівник: доцент, к.м.н. Трубачов С.Д.

Рецензент:

Єкатеринбург 2002.

Зміст.

I. Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3

II. Загальні уявлення про біологічному окисленні.

Окисно-відновні системи та потенціали ... ... .. 3

III. Шляхи використання кисню в клітці ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5

. Оксидазної шлях використання кисню. Мітохондрії.

Ферменти, їх локалізація і значення в процесах окислення ... ... .5

IV. Етапи утилізації енергії поживних речовин ... ... ... ... ... ... ... ... 6

V. Окислювальне фосфорилювання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 9

. Хеміосмотіческая теорія Мітчелла ... ... .. ... ... .... ... ... ... ... ... ... .. 9

. Редокс - ланцюг окисного фосфорилювання ... ... ... ... ... ... 10

VI. Цикл Кребса ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21

. Відкриття ЦТК ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 22

. Реакції, ферменти. Регулювання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23

VII. Макроергічні з'єднання та зв'язку ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29

VIII. Вітамін РР. Участь у процесах окислення ... ... ... ... ... ... ... ... .30

IX. Мікросомальне окислення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31

. Монооксигеназної реакції ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31

. Діоксігеназние реакції ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .32

. Цитохроми ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32

X. Пероксидазна шлях використання кисню ... ... ... ... ... ... ... .. 33

XI. Ферментативна антиоксидантна захист ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 34

. Супероксиддисмутаза, каталази, пероксидази ... ... ... ... ... ... ... .34

XII. Неферментативним антиоксидантна захист ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35

. Вітаміни С, Е і Р ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... 35

XIII. Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 38

XIV. Список літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 39

Введення.

У хімії окислення визначається як видалення електронів, авідновлення - як приєднання електронів; це можнапроілюструвати на прикладі окислення феро-іона у Феррі-іон:

Fe2 +-e> Fe3 +

Звідси випливає, що окислення завжди супроводжується відновленнямакцептора електронів. Цей принцип окислювально-відновлювальних процесіврівною мірою застосуємо до біохімічним системам і характеризує природупроцесів біологічного окислення.

Хоча деякі бактерії (анаероби) живуть за відсутності кисню, життявищих тварин повністю залежить від постачання киснем. Кисень,головним чином, використовується в процесі дихання - останнє можнавизначити як процес уловлювання клітинної енергії у вигляді АТФ припротіканні контрольованого приєднання кисню з воднем зутворенням води. Крім того, молекулярний кисень включається в різнісубстрати за участю ферментів, званих оксігеназамі. Багато ліки,сторонні для організму речовини, канцерогени (ксенобіотики) атакуютьферментами цього класу, які в сукупності одержали назву цитохрому
450.

гіпоксичні порушення метаболізму клітини займають провідне місце впатогенезі критичних станів. Головну роль у формуванні незворотностіпатологічних процесів приписують крайнім проявам розладиклітинного метаболізму. Адекватне забезпечення клітини киснем єосновною умовою збереження її життєздатності. [12,1992]

Введенням кисню можна врятувати життя хворих, у яких порушенодихання або кровообіг. У ряді випадків успішно застосовується терапіякиснем під високим тиском; слід однак зазначити, що інтенсивнаабо тривала терапія киснем під високим тиском може викликатикисневе отруєння. [2,1994]

При написанні даної роботи перед нами стояла мета: вивчити біологічне окислення та його значення в життєдіяльності клітини і організму в цілому.

Для цього ми розглянули:

. використання кисню клітиною;

. джерела енергії клітини - цикл лимонної кислоти (цикл Кребса), окисне фосфорилювання;

. мікросомальне окислення;

. антиоксидантний захист

Загальні уявлення про біологічному окисленні.

Окисно-відновні системи та потенціали.

Джерело енергії, що використовується для виконання всіх видів робіт
(хімічної, механічної, електричної та осмотичній) - це енергіяхімічного зв'язку. Вивільнення енергії вуглеводів, жирів, білків та іншихорганічних сполук відбувається при їх окисно-відновногорозпад. Вивільнена енергія витрачається на синтез АТФ.

Зміна вільної енергії, що характеризує реакції окислення івідновлення, пропорційно здатності Реактанти віддавати абоприймати електрони. Отже, зміна вільної енергіїокисно-відновного процесу можна характеризувати не тількивеличиною (G0 ', але і величиною окисно-відновного потенціалусистеми (Ео). Зазвичай окислювально-відновлювальний потенціал системипорівнюють з потенціалом водневого електроду, беручи останній за нуль,
0В при рН = 0. Однак для біологічних систем зручніше використовуватиокислювально-відновлювальний потенціал при рН = 7,0 (Ео '); при такому рНпотенціал водневого електрода дорівнює -0,42 В. [10,1993]

Користуючись таблицею 1, можна передбачити, в якому напрямку підепотік електронів при сполученні однієї окислювально-відновлювальноїсистеми.

Таблиця 1. Стандартні потенціали деяких окислювально -відновних систем. [10,1993]
| Система | Ео (/ Вольт |
| Кисень/вода | 0,82 |
| Цитохром a: Fe3 +/Fe2 + | 0,29 |
| Цитохром з: Fe3 +/Fe2 + | 0,22 |
| Убихинон: окісл./відновл. | 0,10 |
| Цитохром b: Fe3 +/Fe2 + | 0,03 |
| Фумарат/сукцинат | 0,03 |
| Флавопротеїни: окісл./відновл. | -0,12 |
| Оксалоацетат/малат | -0,17 |
| Пірувату/лактат | -0,19 |
| Ацетоацетат/гідрооксібутірат | -0,27 |
| Ліпоат: окісл./відновл. | -0,29 |
| НАД +/НАДН | -0,32 |
| H +/H2 | -0,42 |
| Сукцинат/альфакетоглутарат | -0,67 |

Шляхи використання кисню в клітині.

Існує три шляхи використання кисню в клітині, якіхарактеризуються наступними реакціями:
1) оксидазної шлях (90% надійшов кисню відновлюється до Н2О за участю ферменту цитохромоксидази)

02 +4 е 4 Н +> 2Н2О

2) оксігеназний шлях (включення в субстрат одного атома кисню - монооксигеназної шлях, двох атомів кисню-діоксігеназний шлях)

-монооксигеназної шлях

-діоксігеназний шлях

3) вільно-радикальний шлях (йде без участі ферментів і АТФ НЕутворюється).

оксидазної шлях використання кисню. Мітохондрії. Ферменти, їхлокалізація і значення в процесі окислення.

Мітохондрії справедливо називають "енергетичними станціями" клітини,оскільки саме в цих органелах в основному відбувається уловлюванняенергії, що поставляється окисними процесами. Мітохондріальнусистему сполучення окислювальних процесів з генерацієювисокоенергетичного інтермедіатора АТФ називають окислювальнимфосфорилюванням.

Мітохондрії мають зовнішню мембрану, проникною для більшостіметаболітів, і вибірково проникною внутрішню мембрану з безліччюскладок (крист), що виступають у бік матриксу (внутрішнього просторумітохондрій). Зовнішня мембрана може бути вилучена шляхом обробкидігітоніном; вона характеризується наявністю моноаміноксидази і деякихінших ферментів (наприклад, ацил-КоА-синтетази, гліцерофосфат -ацілтрансферази, моноацілгліцерофосфат-ацілтрансферази, фосфоліпази А2).
У міжмембранну просторі знаходяться аденілаткіназа і Креатинкіназа. Підвнутрішній мембрані локалізована фосфоліпідзалежних кардіоліпіну.

У матриксі знаходяться розчинні ферменти циклу лимонної кислоти іферменти (-окислення жирних кислот, у зв'язку з цим виникає необхідністьв механізмах транспорту метаболітів і нуклеотидів через внутрішнюмембрану. Сукцинатдегідрогеназа локалізована на внутрішній поверхнівнутрішньої мітохондріальної мембрани, де вона передає відновніеквіваленти дихального ланцюга на рівні Убихинон (минаючи першу окислювально -відбудовну петлю). 3-гідроксібутіратдегід рогеназа локалізована наматриксних стороні внутрішньої мітохондріальної мембрани. Гліцерол-3-фосфат -дегідрогеназ знаходиться на зовнішній поверхні внутрішньої мембрани, девона бере участь у функціонуванні гліцерофосфатного човниковогомеханізму. [10,1993]

Етапи утилізації енергії поживних речовин.

Утилізація енергії поживних речовин - складний процес, якийпротікає в три стадії, згідно з наступною схемою:

Схема 1. Стадії катаболізму поживних речовин. [1,1994]

На стадії 1 великі молекули полімерів розпадаються на мономірнісубодиниці: білки на амінокислоти, полісахариди на цукру, а жири нажирні кислоти і холестеороли. Цей попередній процес, званийтравленням, здійснюється головним чином поза клітин під дієюферментів, секретується в порожнину травного тракту. На стадії 2утворилися невеликі молекули надходять в клітини і піддаютьсяподальшого розщеплення в цитоплазмі. Більша частина вуглецевих і водневихатомів цукрів перетворюється на піруват, який, потрапивши в мітохондрії,утворює там ацетільную групу хімічно активного з'єднанняацетілкофермента А (ацетил-СоА). Велика кількість ацетил-СоА утворюєтьсятакож при окисленні жирних кислот. На стадії 3 відбувається повнерозщеплення ацетільной групи ацетил-СоА до СО2 і Н2О. Саме на ційзавершальній стадії утворюється велика частина АТФ. У серії парниххімічних реакцій більше половини тієї енергії, яку, згідно зтеоретичними розрахунками, можна витягти з вуглеводів і жирів при окисленні їхдо Н2О і СО2, використовується для здійснення енергетично невигідноюреакції Фн + АДФ (АТФ. Оскільки інша частина енергії, що вивільняєтьсяпри окисленні, виділяється клітиною у вигляді тепла, результатом утворення АТФє загальне зростання невпорядкованості Всесвіту, що повністювідповідає другим законом термодинаміки.

Завдяки утворенню АТФ енергія, спочатку витягнута шляхомокислення з вуглеводів і жирів, перетвориться в більш зручнуконцентровану форму хімічної енергії. У розчині, що знаходиться підвнутрішньоклітинному просторі типової клітини, є приблизно 1 млрд.молекул АТФ, гідроліз яких до АДФ і фосфату забезпечує необхідноїенергією безліч енергетично невигідних реакцій.

Найважливішим етапом стадії 2 катаболізму є гліколіз --послідовність реакцій, що приводять до розщеплення глюкози. При гліколізумолекула глюкози, що містить 6 атомів вуглецю, перетворюється на 2 молекулипірувату, що містять по 3 атома вуглецю кожна. Для такого перетворенняпотрібно 9 послідовних ферментативних реакцій, в яких відбуваєтьсяосвіта ряду проміжних фосфатсодержащіх з'єднань. (див. малюнок
1.)
Логічно міркуючи, послідовність реакцій гліколізу можна розділитина три етапи: 1) в реакціях 1-4 (см.рісунок 1) глюкоза перетворюється натрехуглеродний альдегід гліцеральдегід-3-фосфат (для цього перетворенняпотрібні дві фосфатні групи, а необхідна енергія виділяється при гідролізі
АТФ); 2) в реакціях 5-6 альдегідна група кожної молекули гліцеральдегід-3 -фосфату окислюється до карбоксильної, і що виділяється при цьому енергіявитрачається на синтез АТФ з АДФ і Фн; 3) у реакціях 7-9 ті дві молекулифосфату, які приєдналися до цукру на першій стадії, переносятьсяназад на АДФ, в результаті чого утворюється АТФ і компенсуються витрати
АТФ на етапі 1.

Малюнок 1. Проміжні продукти гліколізу. [1,1994]

Сумарний вихід енергії при гліколізу зводиться до синтезу двох молекул
АТФ (на одну молекулу глюкози), які утворилися в реакціях 5 і 6.
Таким чином, дані реакції мають вирішальне значення для гліколізу. Цідві реакції - єдині у всьому процесі, в яких з Фн формуєтьсявисокоенергетична фосфатна зв'язок. Сумарним результатом цих двохреакцій є окислення цукрового альдегіду в фосфогліцероловую кислоту,перенесення Фн на АДФ з утворенням високоенергетичної зв'язку АТФ івідновлення НАД + до НАДН.

Для більшості клітин тварин гліколіз передує стадії 3катаболізму, тому що утворюється при гліколізу молочна кислота швидконадходить в мітохондрії, де окислюється до СО2 і Н2О. Тим не менш уанаеробних організмів і тканин, здатних працювати в анаеробних умовах,гліколіз може стати основним джерелом клітинного АТФ. У цих випадкахмолекули пірувату залишаються в цитозолі і перетворюються на лактат, якийпотім виводиться з клітки. Подальшому перетворення пірувату в цихенергодающіх реакціях, званих бродінням, потрібно для того, щобповністю використовувати відновлювальний потенціал, отриманий у реакції 5гліколізу, і таким шляхом регенерувати НАД +, необхідний для подальшогоздійснення гліколізу. [1,1994]

Окислювальне фосфорилювання.

Окислювальне фосфорилювання позволяет аеробних організмів вловлюватизначну частку потенційної вільної енергії окислення субстратів.
Можливе пояснення механізму окисного фосфорилюванняпропонує хеміосмотіческая теорія. Ряд лікарських речовин (наприклад,амобарбітал) і отрут (ціанід, окис вуглецю) пригнічують окиснефосфорилювання, зазвичай з фатальними наслідками. Окислювальнефосфорилювання є настільки життєво важливим процесом, що порушенняйого нормального ходу несумісне з життям. Цим можна пояснити, чомувиявлено лише невелика кількість генетичних порушень, які зачіпаютьцю систему.

Хоча цикл лимонної кислоти складає частину аеробного метаболізму, нів одній з реакцій цього циклу, що приводять до утворення НАДН і ФАДH2,молекулярний кисень не бере прямої участі; це відбувається тільки взавершальній серії катаболічних реакцій, що протікають на внутрішніймембрані. Майже вся енергія, що отримується на ранніх етапах окислення відспалювання вуглеводів, жирів і інших поживних речовин, спочатку запасаєтьсяу формі високоенергетичних електронів, що їх переносите НАДН і ФАДН.
Потім ці електрони взаємодіють з молекулярною киснем удихального ланцюга. Taк що велика кількість вивільняється енергіївикористовується ферментами внутрішньої мембрани для синтезу АТФ з АДФ і Фн,ці останні реакції називають окислювальним фосфорилюванням.

Синтез АТФ в реакціях окисного фосфорилювання, що протікають вдихального ланцюга, залежить від хеміосмотіческого процесу. Механізм цьогопроцесу, вперше запропонований в 1961 році, дозволив вирішити проблему,давно стала перед біологією клітини.

Раніше думали, що енергію для синтезу АТФ в дихальної ланцюгазабезпечує такий же механізм, як і при субстратне фосфорилювання:передбачалося, що енергія окислення використовується для утвореннявисокоенергетичної зв'язку між фосфатної групою і якимось проміжнимз'єднанням і, що перетворення АДФ в АТФ здійснюється за рахунок енергії,що виділяється при розриві зв'язку з цим. Проте, не дивлячись на інтенсивні пошуки,передбачуваний інтермедіатів не був виявлений.

Згідно хеміосмотіческой гіпотезою, замість багатих енергієюпроміжних продуктів існує прямий зв'язок між процесамихімічними ( «Хемі ...») і транспортними (осмотичного, від грецького osmos
- Поштовх, тиск) - хеміосмотіческое пару.

Хеміосмотіческая гіпотеза, запропонована на початку 60-х років, включалачотири незалежних постулату, що стосувалися функції мітохондрій:

1. Мітохондріальна дихальна ланцюг, що знаходиться у внутрішніймембрані, здатна переміщати протони; при проходженні електронів подихального ланцюга відбувається «відкачування» Н + з матриксу.

2. Мітохондріальний АТФ-сінтетазний комплекс теж переміщує протоничерез внутрішню мембрану. Оскільки цей процес звернемо, фермент може нетільки використовувати енергію гідролізу АТФ для перенесення Н + через мембрану,але при достатньо великому протонної градієнті протони починають «текти» через
АТФ-синтетазу у зворотному напрямку, що супроводжується синтезом АТФ.

3. Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для Н +, ОН-і взагалівсіх аніонів і катіонів.

4. Внутрішня мітохондріальна мембрана містить ряд білків -переносників, що здійснюють транспорт необхідних метаболітів інеорганічних іонів.

При проходженні високоенергетичних електронів, що доставляються НАДН і
ФАДH2, за дихального ланцюга внутрішньої мітохондріальної мембрани відодного переносника к?? ледующему вивільняється енергія, якавикористовується для перекачування протонів (Н +) через внутрішню мембрану зматриксу в міжмембранну простір. (см.рісунок 2)

Малюнок 2. Перенесення протонів за участю АТФ-сінтазной системи (модель
Мітчелла). [10,1993]

У результаті на внутрішній мембрані створюється електрохімічнийпротонний градієнт; енергію о6ратного струму протонів «вниз» з цьогоградієнту використовується пов'язаний з мембраною фермент АТФ-синтетазу,каталізує освіта ATФ з АДФ і Фн, тобто завершальний етапокисного фосфорилювання.

редокс-ланцюг окисного фосфорилювання.

Електрони переносяться з НАДН на кисень за допомогою трьох великихферментних комплексів дихального ланцюга. Хоча механізми отримання енергії вдихального ланцюга і в інших катаболічних реакціях різні, в їх основілежать загальні принципи. Реакція Н2 + 1/2 О2 (Н2О розбита на багато маленьких
«Кроків», так що вивільняється енергія може переходити в пов'язані форми,а не розсіюється у вигляді тепла. Як і в разі утворення АТФ і НАДH пригліколізу або в циклі лимонної кислоти, це пов'язано з використаннямнепрямого шляху. Але унікальність дихального ланцюга полягає в тому, щотут перш за все атоми водню розщеплюються на електрони і протони.
Електрони передаються через серію переносників, вбудованих у внутрішнюмітохондріальну мембрану. Коли електрони досягають кінця цьогоелектронтранспортной ланцюга, протони виявляються там же для нейтралізаціїнегативного заряду, що виникає при переході електронів на молекулукисню.

Простежимо процес окислення, починаючи зосвіти НАДH - головного акцептора реактивних електронів, що витягаютьпри окисленні молекул поживних речовин. Кожен атом воднюскладається з одного електрона і протона одного. Кожна молекула НАДH несегідрид-іон (водневий атом + додатковий електрон, Н :-), а не просто атомводню. Однак через присутність в навколишньому водному розчині вільнихпротонів перенесення гідрид-іона у складі НАДH еквівалентний переносу двохатомів водню або молекули водню (Н: - + Н + (Н2).

Перенесення електронів по дихального ланцюга починається з відібрання гідрид-іона
(Н :-) від НАДH; при цьому регенерується НАД + , a гідрид-іон перетворюєтьсяв протон і два електрони (Н: - (Н + + 2е-). Ці електрони переходять наперший з більш ніж 15 різних переносників електронів в дихальнійланцюга. У цей момент електрони володіють дуже великою енергією, запасякої поступово зменшується у міру проходження їх по ланцюгу. Найчастішевсього електрони переходять від одного атома металу до іншого, причому коженз цих атомів міцно пов'язаний з білкової молекулою, яка впливає на йогоспорідненість до електрона. Важливо відзначити, що всі білки - переносникиелектронів - групуються у три великі комплексу дихальних ферментів,кожен з яких містить трансмембранні білки, міцно закріплюютькомплекс у внутрішній мембрані мітохондрії. Кожен наступний комплексволодіє більшою спорідненістю до електронам, ніж попередній. Електронипослідовно переходять з одного комплексу на інший, поки нарешті неперейдуть на кисень, що має найбільшу спорідненість до електрона.

Енергія, що вивільняються в процесі переносу електронів по дихальноїланцюги, запасається у формі електрохімічного протонного градієнта навнутрішній мембрані мітохондрій.

Окислювальне фосфорилювання можливо завдяки тісній асоціаціїпереносників електронів з білковими молекулами. Білки направляють електронипо дихального ланцюга так, що вони послідовно переходять від одногоферментного комплексу до іншого, не «перестрибуючи» через проміжніланки. Особливо важливо те, що перенесення електронів пов'язаний заллостеріческімі змінами певних білків молекул, в результату чогоенергетично вигідний потік електронів викликає перекачування протонів
(Н +) через внутрішню мем6рану з матриксу в міжмембранну простір ідалі за межі мітохондрії. Пересування протонів дає два важливінаслідків: 1) між двома сторонами внутрішньої мембрани створюєтьсяградієнт рН - в матриксі рН вище, ніж в цитоплазмі, де значення рН звичайноблизько до 7,0 (так як малі молекули вільно проходять через зовнішнюмембрану мітохондрії, рН в міжмембранну просторі буде таким же як уцитозолі); 2) на внутрішній мембрані створюється градієнт напруги
(мембранний потенціал), причому внутрішня сторона мембрани заряджаєтьсянегативно, а зовнішня - позитивно. Градієнт рН ((рН) змушує іони
Н + переходити назад в матрикс, а іони ОН-з матриксу, що посилюєефект мембранного потенціалу, під дією якого будь-який позитивнийзаряд притягається в матрикс, а будь-який негативний виштовхується з нього.
Спільна дія цих двох сил призводить до виникненняелектрохімічного протонного градієнта. Електорохіміческій протоннийградієнт створює протонодвіжущую силу, що вимірюється у мілівольтах (мВ).

Енергія електрохімічного протонного градієнта використовується длясинтезу АТФ та транспорту метаболітів і неорганічних іонів у матрикс.

Внутрішня мембрана мітохондрій відрізняється надзвичайно високимвмістом білка - в ній за вагою приблизно 70% білка і
30% фосфоліпідів. Багато хто з цих білків входять до складу електронтранспортнойланцюга, що підтримує протонний градієнт на мембрані. Інший важливийкомпонент - фермент АТФ-синтетазу, що каталізує синтез АТФ. Це великийбілковий комплекс, через який протони перетікають назад в матрикспо електрохімічного градієнту. Подібно до турбіни, АТФ-синтетазуперетворює одну форму енергії в іншу, синтезуючи АТФ з АДФ і Фн вмітохондріальному матриксі в ході реакції, пов'язаної зі струмом протонів уматрикс (див. малюнок 3).

Малюнок 3. Загальний механізм окисного фосфорилювання. [1,1994]

Але синтез АТФ - це не єдиний процес, що йде зарахунок енергії електрохімічного градієнта. У матриксі, де знаходятьсяферменти, які беруть участь у циклі лимонної кислоти та інших метаболічнихреакціях, необхідно підтримувати високі концентрації різнихсубстратів; зокрема, для АТФ-синтетази потрібні АДФ і фосфат. Томучерез внутрішню мембрану повинні транспортуватися різноманітні несучізаряд субстрати. Це досягається за допомогою різних білків-переносників,вбудованих в мембрану, багато з яких активно перекачують певнімолекули проти їх електрохімічних градієнтів, тобто здійснюють процес,що вимагає витрати енергії. Для більшої частини метаболітів джерелом цієїенергії, служить пару з переміщенням якихось інших молекул «вниз» заїх електрохімічного градієнту. Наприклад, у транспорті АДФбере участь система антіпорта АДФ-АТФ: при переході кожної молекули АДФ вматрикс з нього виходить за своїм електрохімічного градієнту одинмолекула АТФ. У той же час система сімпорта сполучати перехід фосфатуусередину мітохондрії з спрямованим туди ж потоком Н +: протони входять доматрикс за своїм градієнту і при цьому "тягнуть" за собою фосфат. Подібнічином переноситься в матрикс і піруват. Енергія електрохімічногопротонного градієнта використовується також для перенесення в матрикс іонів Са2 +,які, очевидно, грають важливу роль у регуляції активності деякихмітохондріальних ферментів.

Чим більше енергії електрохімічного градієнта витрачається наперенесення молекул та іонів в мітохондрії, тим менше залишається для синтезу АТФ.
Наприклад, якщо ізольовані мітохондрії помістити в середовище з високимзмістом Са2 +, то вони повністю припинять синтез АТФ; вся енергіяградієнта буде витрачатися на транспорт Ca2 + в матьрікс. У деякихспеціалізованих клітинах електрохімічний протонний градієнт
«Шунтується» таким чином, що мітохондрії замість синтезу АТФ утворюютьтепло. Очевидно, клітини здатні регулювати використання енергіїелектрохімічного протонного градієнта і спрямовувати її на ті процеси,які найбільш важливі в даний момент.

Швидке перетворення АДФ в АТФ в мітохондріях дозволяє підтримувативисоке відношення концентрацій ATФ/АДФ у клітинах. За допомогою особливого білка,вбудованого у внутрішню мембрану, АДФ транспортується в матрикс в обмінна АТФ за принципом антіпорта. У результаті молекули АДФ, вивільняється пригідролізі АТФ в цитоплазмі, швидко надходять в мітохондрії для «перезарядки»,в той час як молекули АТФ, що утворюються в матриксі в процесіокисного фосфорилювання, теж швидко виходять в цитозолі, де вонипотрібні. В організмі людини молекули АТФ за добу, що дозволяєпідтримувати в клітині концентрацію АТФ, більш ніж у 10 разів перевищуєконцентрацію АДФ.

У процесі окисного фосфорилювання кожна пара електронів НАДHзабезпечує енергією освіту приблизно трьох молекул АТФ. Параелектронів ФАДH2, що має меншу енергію, дає енергію для синтезутільки двох молекул АТФ. У середньому кожна молекула ацетил-СоА що надходить вцикл лимонної кислоти, дає близько 12 молекул АТФ. Це означає, щопри окисленні однієї молекули глюкози утворюються 24 молекули АТФ, а при окисленні однієї молекули пальмітату - жирної кислоти з 16вуглецевими атомами - 96 молекул АТФ. Якщо врахувати також екзотермічніреакції, що передували утворенню ацетил-СоА, виявиться, що повнеокислення однієї молекули глюкози дає близько 36 молекул АТФ, тоді як приповному окисленні пальмітату утворюється приблизно 129 молекул АТФ. Цемаксимальні величини, тому що фактично кількість синтезованого вмітохондріях АТФ залежить від того, яка частка енергії протонного градієнтайде на синтез АТФ, а не на інші процеси. Якщо сравніт' змінавільної енергії при згоранні жирів і вуглеводів прямо до СО2 і Н2О із загальнимкількістю енергії, що запасається в фосфатних зв'язках АТРФ впроцесах біологічного окислення, виявиться, що ефективністьперетворення, енергії окислення в енергію АТФ часто перевищує 50%.
Оскільки вся невикористана енергія вивільняється у вигляді тепла, великіорганізми потребували б більш ефективних способах відводу тепла внавколишнє середовище.

Величезна кількість вільної енергії, що вивільняється при окисленні,може ефективно використовуватися тільки дрібними порціями. У складномупроцесі окислення бере участь багато проміжних продуктів, кожний зяких лише незначно відрізняється від попереднього. Завдяки цьомувивільняється енергія дробиться на менші кількості, які можнаефективно перетворювати за допомогою парних реакцій ввисокоенергетичні зв'язку молекул АТФ і НАДH.

У 1960 р. було вперше показано, що різні мембранні білки,беруть участь у окисного фосфорилювання, можуть бути виділені безвтрати активності. Від поверхні субмітохондріальних частинок вдалосявідокремити і перевести в розчинну форму усеівающіе їх крихітні білковіструктури. Хоча субмітохондріальние частинки без цих сферичних структурпродовжували окисляти НАДH у присутності кисню, синтезу АТФ при цьому невідбувалося. З іншого боку, виділені структури діяли як
АТФази, гідролізуя АТФ до АДФ і Фн. Коли сферичні структури
(названі F1-АТФази) додавали до позбавлених їх субмітохондріальнимчастинок, реконструйовані частки знову синтезували АТФ з АДФ і Фн.
F1-АТФази - це частина великого, що пронизує всю товщу мембраникомплексу, який складається щонайменше з дев'яти різнихполіпептидних ланцюгів. Цей комплекс одержав назву АТФ-синтетазу; вінскладає близько 15% усього білка внутрішньо мітохондріальноі мембрани.
Дуже схожі АТФ-синтетази є в мембранах хлоропластів і бактерій.
Такий білковий комплекс містить трансмембранні канали дляпротонів, і відбувається тільки тоді, коли через ці канали проходятьпротони вниз за своїм електрохімічного градієнту.

АТФ-синтетазу може діяти у зворотному напрямку - розщеплювати
АТФ і перекачувати протони. Дія АТФ-синтетази оборотно: онa здатнавикористовувати як енергію гідролізу АТФ для перекачування протонів черезвнутрішню мітохондріальну мембрану, так і енергію потоку протонів поелектрохімічного градієнту для синтезу АТФ. Таким чином, АТФ-синтетазу
- Це оборотна сполучаються система, яка здійснює взаємоперетворенняенергії електрохімічного протонного градієнта і хімічних зв'язків.
Напрямок її роботи залежить від співвідношення між крутизною протонногоградієнта та локальної величиною (G для гідролізу АТФ.

АТФ-синтетазу отримала свою назву в зв'язку з тим, що в звичайнихумовах npoтоннoro градієнта, підтримуваного дихальної ланцюгом,синтезує більшу частину всього АТФ клітини. Число протонів, необхідне длясинтезу однієї молекули АТФ, точно не відомо. При проходженнічерез АТФ-синтетазу протонів синтезується одна молекула АТФ.

Як буде працювати в даний момент АТФ-синтетазу - в напрямкусинтезу або гідролізу АТФ, - залежить від точного балансу між змінамивільної енергії для проходження трьох протонів через мембрану в матрікc ідля синтезу АТФ у матриксі. Як вже говорилося, величина (Gсінт.АТФвизначається концентраціями трьох речовин в матриксі мітохондрії - АТФ, АДФі Фн. При постійній протонодвіжущей силі АТФ-синтетазу буде синтезувати
ATФ тих пір, поки відношення АТФ до АДФ і Фн не досягне такого значення,при якому величина (Gсінт.АТФ стане в точності дорівнює 15,2 ккaл/мoль. Притаких умовах синтез АТФ буде точно врівноважуватися його гідролізом.

Припустимо, що у зв'язку з реакціями, які вимагають витрати енергії, вцитозолі раптово гідролізувати велика кількість АТФ, і це призвело допадіння відносини АТФ: АДФ в матриксі мітохондрії. У цьому випадку (Gсінт.знизиться і АТФ-синтетазу знову переключиться на синтез АТФ, поки невідновиться вихідне відношення АТФ: АДФ. Якщо ж протонодвіжущая силараптово знизиться і буде підтримуватися на постійному рівні, то АТФ -синтетазу почне розщеплювати АТФ, і ця реакція буде тривати до тихпір, поки співвідношення між концентраціями ATФ і АДФ не досягне якогосьнового значення (при якому (Gсінт.АТФ = 13,8 ккал/моль), і так далі.

Якщо АТФ-синтетазу в нормі не транспортує Н + з матриксу, тодихальна ланцюг, що знаходиться у внутрішній мітохондріальної мембрані, принормальних умовах переносить через цю мембрану протони, створюючи такимчином електрохімічний протонний градієнт, який доставляє енергію, длясинтезу AТФ.

Більшість переносників електронів, що входять до складу дихальноїланцюги, поглинають світло, і їх окислення або відновлення супроводжуєтьсязміною кольору. Зазвичай спектр поглинання і реакційноздатні кожногопереносника досить характерні, що дозволяє навіть в неочищеномуекстракті простежувати зміни його станів за допомогою спектроскопії. Цедало можливість виділити такі переносники задовго до того, як сталазрозуміла їхня істинна функція. Наприклад, цитохроми були відкриті в 1925 р. якз'єднання, які швидко окислюються і відновлюються у таких різнихорганізмів, як дріжджі, бактерії і комахи. Спостерігаючи клітини і тканини здопомогою спектроскопа, вдалося ідентифікувати три типи цитохромів, якірозрізнялися за спектрами поглинання і названі цитохрому а, b і c. Клітинимістять кілька видів цитохромів кожного типу, і класифікація затипами не відображає їхню функцію.

Найпростіший переносник електронів є невеликоюгідрофобні молекулу, розчинену в ліпідному Біслі, яка зветьсяУбихинон або коферментом Q. Він здатний прийняти або віддати як один, такі два електрони і тимчасово захоплює з-посеред протон при перенесенні кожногоелектрона.

Малюнок 4. Структура Убихинон. [10,1993]

ланцюг містить три великих ферментних комплексу, вбудованиху внутрішню мембрану

Мембранні білки важко виділити у вигляді інтактних комплексів, тому щовони нерозчинні в більшості водних розчинів, а такі речовини, якдетергенти і сечовина, необхідні для їх солюбілізаціі, можуть порушуватинормальне білок-білкові взаємодії. Однак на початку 1960-х рр.. буловиявлено, що за допомогою відносно м'яких іонних детергентів, таких якдезоксіхолат, можна солюбілізіровать деякі компоненти мітохондріальноївнутрішньої мембрани в нативної формі. Це дозволило ідентифікувати тавиділити три головних пов'язаних з мембраною комплексу дихальних ферментівна шляху від НАДH до кисню.

Малюнок 5. Дихальні ферментні комплекси. [1,1994]

1. НАДН-дегідрогеназний комплекс - найбільший з дихальнихферментних комплексів - імеет молекулярну масу понад 800000 імістить більше 22 поліпептидних ланцюгів. Він приймає електрони від НАДH іпередає їх через флавін і щонайменше п'ять залізо-сірчаних центрів на_Убихинон - невелику жиророзчинних молекулу, передаюшую електрони надругий комплекс дихальних ферментів-комплекс b-c1.

2. Комплекс b-з1 складається щонайменше з 8 різних поліпептиднихланцюгів і, ймовірно, існує у вигляді димеру з молекулярною масою 500000.
Кожен мономер містить три тема, пов'язаних з цитохрому, і залізо-сірчанийбілок. Комплекс приймає електрони від Убихинон і передає цитохрому с,невеликому периферичного мембранні білки, який потім переносить їх на цитохром-оксидазної комплекс.
3.Цітохромоксідазний комплекс (цитохром Аа3) - найбільш вивчений з трьохкомплексів. Він складається не менше ніж з восьми різних поліпептидних ланцюгіві виділений як дімерс молекулярною масою 300000; кожен мономер міститьдва цитохрому і два атоми меді.етот комплекс приймає електрони відцитохрому с і передає їх на кисень.

Цитохроми, залізо-сірчані центри і атоми міді здатні переноситьодночасно тільки один електрон. Між тим, кожна молекула НАДН віддаєдва електрони і кожна молекула О2 повинна прийняти 4 електрона приутворенні молекули води. У електронтранспортной ланцюга є декількаелектронсобірающіх і електронраспределяющіх ділянок, де узгоджуєтьсярізниця в числі електронів. Так, наприклад, цітохромоксідазний комплексприймає від молекул цитохрому з окремо 4 електрона і в кінцевомупідсумку передає їх на одну пов'язану молекулу О2, що веде до утвореннядвох молекул води. На проміжних щаблях цього процесу два електрони,перш ніж перейти до ділянки, що зв'язує кисень, надходять в гемцитохрому а, і пов'язаний з білком атом міді, Cua. У свою чергу ділянкузв'язування кисню містить ще один атом міді і гем цитохрому а3. Однакмеханізм утворення двох молекул води в результаті взаємодіїпов'язаної молекули О2 з чотирма протонами в точності не відомий.

У більшості клітин з цитохромоксидази взаємодіє близько 90%всього поглинається кисню. Токсичність таких отрут, як ціанід і азид,пов'язані з їх здатністю міцно приєднуватися до цітохромоксідазномукомплексу і блокувати тим самим весь транспорт електронів.

Два компонента, що переносять електрони між трьома головними ферментнимикомплексами дихального ланцюга, - Убихинон і цитохром с - швидко переміщаютьсяшляхом дифузії в площині мембран.

Сутички між цими рухливими переносниками і ферментнимикомплексами цілком дозволяють пояснити що спостерігається швидкість переносуелектронів (кожен комплекс віддає і приймає один електрон кожні 5-10мілісекунд). Тому немає необхідності припускати структурнувпорядкованість ланцюга білків-переносників у ліпідному Біслі; справді,ферментні комплекси, мабуть існують в мембрані як незалежнікомпоненти та впорядкований перенесення електронів забезпечується тількиспецифічністю функціональних взаємодій