Цепь тканевого дыхания

1. ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ

2. ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ

• Пути использования кислорода в клетке
• Компоненты и организация
дыхательной цепи.
• Цепь переноса электронов
• Окислительное фосфорилирование
• Разобщители и ингибиторы
дыхательной цепи
• Нарушения работы дыхательной цепи

3. Пути использования кислорода в клетке

О2
ЦТД
(90%)
СРО активные формы
СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
оксидазы оксигеназы
НАДФН + Н +
МАО
(ФАД)
диоксигеназы
монооксигеназы
Цитохром Р450 (редуктаза)
МСО
(гепатоциты)
ПОЛ
R+O2=RO2
Цитохром Р450
(гидроксилирование АрАК)

4. Пути использования кислорода в клетке

Существует следующие пути использования кислорода
в клетке, которые характеризуются следующими
процессами:
1. Тканевое дыхание
(90% поступившего кислорода восстанавливается до
Н2О при участии фермента цитохромоксидазы) с
образованием АТФ (окислительное фосфорилирование)
02 +4е+4Н+ → 2Н2О
+ АТФ
Тканевое дыхание (цепь переноса электронов) окислительное фосфорилирование. Является основным
источником АТФ в аэробных тканях.
Потребляет 90% кислорода

5. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ МИТОХОНДРИЙ

Или Цепь Тканевого Дыхания (или цепь переноса
электронов) - совокупность окислительновосстановительных процессов в клетках, органах и
тканях, протекающих с участием молекулярного
кислорода и сопровождающихся запасанием
энергии в фосфорильной связи молекул АТФ.
Тканевое дыхание является важнейшей частью
обмена веществ и энергии в организме. В
результате тканевого дыхания при участии
специфических ферментов происходит
окислительный распад крупных органических
молекул — субстратов дыхания — до более
простых и в конечном счете до СО2 и Н2О с
высвобождением энергии АТФ.

6.

Строение митохондрии
Дыхательная
цепь
локализована
на внутренней
мембране
митохондрий

7.

8.

9. СХЕМА СТРОЕНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИЙ

10. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ МИТОХОНДРИЙ

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные
акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и
железосерные белки).
II. Сукцинат-KoQ-редуктаза
(содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД
и железосерные белки).
III. KoQН2 -цитохром с-редуктаза
(содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1
гемное железо).
IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы
электронов: цитохромы а и а3, ионы меди Cu2+).
В качестве промежуточных переносчиков электронов
выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

11. КОМПЛЕКС I (NADH: УБИХИНОН-РЕДУКТАЗА)

12.

13. КОМПЛЕКС I

Сложный флавопротеиновый комплекс, в состав
которого входит 25 полипептидных цепей. НАДНсвязывающий центр ориентирован в матрикс, это
позволяет ему взаимодействовать с НАДН,
восстановленным дегидрогеназами ЦТК и
другими дегидрогеназами.
Электроны движутся по атомам железа (негемное
железо) внутри железо-серных белков.
Комплекс катализирует реакцию восстановления
убихинона (KoQ), сопряженную с
трансмембранным переносом 4-х протонов из
матрикса митохондрий в межмембранное
пространство

14. КОМПЛЕКС I (NADH:УБИХИНОН-РЕДУКТАЗА)

КОМПЛЕКС I (NADH:УБИХИНОНРЕДУКТАЗА)

15. СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗО-СЕРНЫХ КЛАСТЕРОВ

16. Комплекс II

Сукцинат-убихинон-редуктаза:
осуществляет перенос восстановительных
эквивалентов от ФАДН2 (образованный в
ходе реакции окисления сукцината в ЦТК)
на убихинон (KoQ) через Fe-S центры.
Биологическая роль коэнзима Q – перенос
электронов в дыхательной цепи от
флавопротеинов (комплексы I и II) к
цитохромам (комплекс III).

17. КОМПЛЕКС II (СУКЦИНАТ:УБИХИНОН-РЕДУКТАЗА)

18. Комплекс III: убихинон-цитохром с-редуктаза

Это комплекс цитохромов bc1 осуществляет
перенос электронов от QН2 на цитохром c.
Цитохромы – это гемопротеины. Их 5 типов:
b, c, c1 , a и a3.
Цитохром с – сложный белок, хромопротеин,
простетическая группа которого – гем –
содержит железо с переменной валентностью
(Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в
восстановленной форме). Цитохром с является
водорастворимым соединением и располагается
на периферии внутренней митохондриальной
мембраны в гидрофильной фазе.

19. КОМПЛЕКС III

Биологическая роль цитохрома с –
перенос электронов в дыхательной
цепи от комплекса III к комплексу IV.
Здесь также осуществляется
трансмембранный перенос 4-х
протонов из матрикса митохондрий в
межмембранное пространство

20.

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА III
(убихинол-цитохром с- оксидоредуктаза)
Ингибитор:
антимицин А

21. КОМПЛЕКС IV

Катализирует реакцию окисления
восстановленного цитохрома с молекулярным
кислородом, сопряженную с трансмембранным
переносом 2-х протонов в межмембранное
пространство.
Переход электронов здесь осуществляется от
атома железа в цитохроме на атом меди.
На этом комплексе происходит присоединение
4-х электронов к молекуле кислорода, что
приводит к полному его восстановлению с
образованием эндогенной воды

22. КОМПЛЕКС IV (ЦИТОХРОМОКСИДАЗА)

23. Комплекс V – F0-F1-АТФ-синтаза

Это трансмембранный ферментный
комплекс, состящий из двух
компонентов – факторы F0 –F1:
1-й отвечает за транспорт протонов
из межмембранного пространства
внутрь,
2-й – за синтез АТФ (окислительное
фосфорилирование)

24. КОМПЛЕКС V (FoF1-ATP СИНТАЗА)

25. ТРАНСПОРТ СУБСТРАТОВ ДЛЯ СИНТЕЗА АТР

26. Электрохимический потенциал

компоненты дыхательной цепи, расположенные во
внутренней митохондриальной мембране, в ходе
переноса электронов могут «захватывать» протоны
из матрикса митохондрий и передавать их в
межмембранное пространство. При этом наружная
поверхность внутренней мембраны приобретает
положительный заряд, а внутренняя –
отрицательный, т.е. создаётся градиент
концентрации протонов с более кислым значением
рН снаружи. Так возникает трансмембранный
потенциал (ΔµН+). Существует три участка
дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти
участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи
переноса электронов

27.

Электрохимический потенциал протонов ∆μН+
∆ψ-электрический
потенциал
∆рН - химический
(концентрационный)
градиент
Энергия
Синтез АТФ Теплопродукция
Транспорт
веществ через
мембрану
митохондрий

28. Коэффициент окислительного фосфорилирования

Степень сопряжённости окисления и
фосфорилирования в митохондриях
характеризует коэффициент
фосфорилирования (Р/О). Это
количественная оценка синтеза АТФ.
Он равен отношению количества молекул
неорганического фосфата (Н3РО4),
перешедшего в АТФ, к количеству атомов
потреблённого кислорода (О2).

29.

Мера эффективности работы дыхательной цепи
- коэффициент Р/О
Р - количество потребленного Н3РО4,
(эквивалентно количеству синтезированного
АТФ)
О - количество потребленного кислорода
Для НАДН - Р/О максимально 3
Для ФАДН2 - Р/О максимально 2
Для аскорбата - Р/О максимально 1

30. Основные пути использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических веществ
из более простых (реакции анаболизма);
2) сокращение мышц (механическая
работа);
3) образование трансмембранных
биопотенциалов;
4) активный транспорт веществ через
биологические мембраны.

31. ИНГИБИТОРЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

32.

Разобщители окисления и фосфорилирования это вещества, которые снижают значение ∆μН+, не
нарушая работу цепи переноса электронов
Разобщители
Эндогенные
Экзогенные
Жирные кислоты
Валиномицин
Термогенин
Билирубин
Грамицидин
Разобщители
Тиреоидные гормоны
Протонофоры
Все эндогенные,
2,4-динитрофенол
Нигерицин
2,4-динитрофенол
Ионофоры
Валиномицин
нигерицин
Каналообразователи
грамицидин

33. Протонофоры

Протонофоры представляют собой слабые
гидрофобные органические кислоты,
которые в форме аниона (R-COO-)
связывают протоны в межмембранном
пространстве, диффундируют через
мембрану и диссоциируют в матриксе с
образованием протонов. К этой группе
относятся, например, свободные жирные
кислоты, гормоны щитовидной железы,
салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол

34.

РОЛЬ АНИОНОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В
ТРАНСПОРТЕ ПРОТОНОВ В МИТОХОНДРИИ
H+
R-COO
Внутренняя
мембрана
R-COO-
H+
Межмембранное
пространство
R-COOH
R-COOH
Матрикс

35. Термогенин

разобщающий белок, обнаруженный
в митохондриях адипоцитов бурой жировой
ткани.
Используется в качестве основного
механизма продукции тепла у новорожденных и
у млекопитающих, впавших в спячку.
Они увеличивают проницаемость внутренней
митохондриальной мембраны, позволяя
протонам, перенесенным в межмембранное
пространство, возвращаться в
митохондриальный матрикс.
Производство тепла при помощи термогенина в
бурой жировой ткани происходит с
разобщением клеточного дыхания

36. СХЕМА ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОГЕНИНА

37. Ионофоры

Ионофоры (валиномицин, нигерицин,
грамицидин) способны встраиваться в
мембрану, образуя канал, по которому
могут перемещаться протоны и другие
одновалентные катионы – Na+ или K+.
В результате снижается протонный
потенциал, что приводит к уменьшению
электрохимического потенциала и
нарушается синтез АТФ.

38.

РОЛЬ ИОНОФОРОВ В
ТРАНСМЕМБРАННОМ ПЕРЕНОСЕ
КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ (Ме+)
Ме+
Внутренняя
мембрана
Ионофор
Межмембранное
пространство
Ионофор- Ме+
Ионофор- Ме+
Ионофор
Ме+
Матрикс

39. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИОНОФОРОВ-КАНАЛООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИОНОФОРОВКАНАЛООБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Н+, К+, Na+
Мембрана
Н+, К+, Na+

40. Врожденные нарушения дыхательной цепи

• Дефицит цитохрома с : подострая
некротическая энцефалопатия (синдром Ли).
Развиваются симметричные некрозы в
головном и спинном мозге. Это ведет к
атаксии, судорогам, задержке умственного
развития и гипотензии.
• Дефицит цитохромоксидазы – проявляется
миопатией (слабость мышц, утомляемость,
судороги, дыхательная недостаточность)

41. Приобретенные нарушения дыхательной цепи

Индуцированный паркинсонизм –
снижение общей двигательной активности,
тремор рук, нарушение координации
движений. Патология возможна при
применении наркотика меперидина,
который ингибирует комплекс I, подобно
ротенону. Нарушается окислительное
фосфорилирование, снижается уровень
АТФ в клетках черной субстанции мозга
(развивается паркинсонизм)

42.

При клеточных повреждениях
тормозится поступление кислорода в
клетку – возникает гипоксия.
Тормозится процесс ЦТК и
поступление восстановленных
коферментов в ЦТД, нарушается
синтез АТФ.
Подобный эффект возможен при
авитаминозе витаминов В2, РР,
дефиците железа и меди.