Окислительное фосфорилирование

1.

Красноярский государственный медицинский
университет им. проф. В.Ф.Войно-Ясенецкого
Кафедра биохимии с курсами медицинской,
фармацевтической и токсикологической химии
Тема лекции:
«Окислительное фосфорилирование»
Ассистент кафедры,
Семенчуков Алексей Алексеевич
2016

2.

Субстратное фосфорилирование – процесс образование АТФ (или
ГТФ) за счет макроэргических связей субстрата
Цикл Кребса:
Гликолиз:

3.

Окислительное фосфорилирование – процесс образование АТФ за
счет свободной энергии электронов переносимых по дыхательной цепи.
Дыхательная цепь (как процесс) – это цепь окислительновосстановительных реакций сопровождающихся последовательным
переносом электронов от одного компонента цепи к другому.
Поставщик электронов в дыхательную цепь: НАДН +Н+ и ФАДН2
Конечный акцептор электронов: О2
Дыхательная цепь (в физическом смысле) – это совокупность
ферментативных комплексов расположенных на внутренней мембране
митохондрий.

4.

Строение митохондрии
Внутренняя мембрана:
Образует кристы
Непроницаема для большинства веществ,
включая Н+
Содержит дыхательную цепь
Внешняя мембрана:
Проницаема для многих
веществ
Матрикс митохондрий:
Рибосомы
ДНК
Содержит пируватдегидрогеназный
комплекс, ферменты цикла Кребса,
ферменты окисления жирных кислот и
аминокислот

5.

Углеводы
Глюкоза
Жиры
Жирные
кислоты
Белки
ē - электроны
Аминокислоты
ē
ē
ē
НАДН +
Н+
ē
Дыхательная
цепь
АТФ

6.

Углеводы
Глюкоза
Жиры
Жирные
кислоты
Белки
ē - электроны
Аминокислоты
ē
ē
ē
ФАДН2
ē
Дыхательная
цепь
АТФ

7.

Компоненты дыхательной цепи:
ФМН
ФМНН2
ФМН (флавинмононуклеотид) - флавиновый (В2) кофермент, простетическая
группа NADH-дегидрогеназы (комплекс I дыхательной цепи).
Участвует в окислительно-восстановительных реакциях в качестве окислителя
(ФМН) или восстановителя (ФМНН2).

8.

Компоненты дыхательной цепи:
Убихинон
СоQ
Семихинон
СоQН
Убихинол
СоQН2
Убихинол (СоQН2) – жирорастворимый кофермент, способный участвовать в окислительновосстановительных реакциях в качестве окислителя (убихинон, СоQ) или восстановителя
(убихинол, СoQH2). Существует также полувосстановленная форма – семихинон (СоQН•).
Осуществляет перенос электронов между комплексом I и комплексом III и между
комплексом II и комплексом III.

9.

Компоненты дыхательной цепи:
Цитохромы – сложные белки, содержащие в качестве
простетической группы молекулу гема.
Гем – органическое соединение состоящее из
порфиринового кольца и двухвалентного железа (Fe2+)
В зависимости от структуры порфиринового кольца
различают разновидности гемов:
• гем а
• гем b
• гем с
Все разновидности гемов входят в состав
соответствующих цитохромов (cyt b-c1, cyt c, cyt a-a3)
и участвуют в окислительно-восстановительных
реакциях в цепи переноса электронов.
Железопротопорфирин IX
(содержится в геме b)

10.

Компоненты дыхательной цепи:
Fe2+
Железо-серные белки
-ē
+ē
Fe3+
Участвуют в переносе электронов по дыхательной
цепи, далее рассматриваться не будут.

11.

Почему окислители окисляют, а восстановители восстанавливают?
Окислительно-восстановительный
потенциал – показатель, характеризующий
способность окислительно-восстановительной
пары принимать и отдавать электроны.
1) Чем ниже окислительно-восстановительный
потенциал, тем легче пара отдает электроны и
хуже их принимает, т.е. в реакциях выступает в
качестве восстановителя.
2) Чем выше окислительно-восстановительный
потенциал, тем легче пара принимает
электроны и хуже их отдает, т.е. в реакциях
выступает в качестве окислителя.

12.

Дыхательная цепь (как процесс)
1)
НАДН+Н+
- 0,32 в
НАДН –дегидрогеназа
Комплекс I
+ ФМН
- 0,30 в
НАДН –дегидрогеназа
Комплекс I
2) ФМНН2 + СоQ
- 0,30 в
+ 0,04 в
3) CoQH2 + cyt b-c1
+ 0,04 в
4) cyt b-c1
(Fe2+)
+ 0,25 в
6) cyt a-a3
+ 0,55 в
+ cyt c
+ cyt a-a3
(Fe2+)
CoQH2 + ФМН
CoQH2 –дегидрогеназа
Комплекс III
CoQH2 –дегидрогеназа
3+
(Fe )
cyt
+ 0,25 в
+ 0,23 в
5) cyt c
(Fe3+)
+ 0,23 в
(Fe2+)
НАД+ + ФМНН2
(Fe3+)
+ 0,55 в
+ 1/2O2
+ 0,84 в
Комплекс III
цитохромоксидаза
Комплекс IV
цитохромоксидаза
Комплекс IV
CoQ + cyt b-c1 (Fe2+)
b-c1 (Fe3+) + cyt c (Fe2+)
cyt c (Fe3+) + cyt a-a3 (Fe2+)
cyt a-a3 (Fe3+) + H2O

13.

Межмембранное пространство
Комплекс I
НАДН-дегидрогеназа
Комплекс III
СoQH2-дегидрогеназа
Комплекс IV
цитохромоксидаза
АТФ-синтаза
Cyt c
F1
ФМН
CoQ
Cyt b-c1
ФАД
Комплекс II
Сукцинатдегидрогеназа
Cyt a-a3
Внутренняя мембрана
митохондрий
Fo
Матрикс митохондрий

14.

2H+
+ ++
4H+
+ + + + + + ++ +
ē
Cyt c
++
++ +
Cyt c
CoQH2
ФМН ФМНН2
ē
Cyt a-a3
Cyt b-c1
ē
CoQ
- -
-
- -
-
НАД+ НАДН+Н+ 4H+
- - - - - - - - - 2H++1/2O
2
μ
Δ
Цикл Кребса
Н+ = Δ
φ + Δ рН
Электро-химический потенциал
H2O
АДФ + Н3РО4
2H+
АТФ

15.

4H+
+ ++
+ + + + + + ++ +
ē
Cyt c
++
++ +
Cyt c
CoQH2
Cyt a-a3
Cyt b-c1
ē
ФАД
ФАДН2
ē
CoQ
-
2H+
фумарат
сукцинат
Цикл Кребса
- - - - - - - - - 2H++1/2O
2
μ
Δ
Н+ = Δ
φ + Δ рН
Электро-химический потенциал
H2O
АДФ + Н3РО4
2H+
АТФ

16.

Сопряжение процессов в
окислительном фосфорилировании
В окислительном фосфорилировании сопряжены 2 процесса: окисление и
фосфорилирование.
Окисление – процесс переноса электронов по дыхательной цепи.
Фосфорилирование – процесс образования АТФ.
μ
Сопряжение происходит через образование электро-химического потенциала (Δ Н+)
в ходе процесса переноса электронов (окисления), энергия которого в дальнейшем
тратится на образование АТФ (фосфорилирование).

17.

Разобщение процессов в
окислительном фосфорилировании
Разобщение окислительного фосфорилирования – это состояние при котором
процесс переноса электронов по дыхательной цепи происходит, а синтез АТФ –
нет.
Разобщители дыхательной цепи – протонофоры и ионофоры – вещества,
способные переносить протоны водороды (Н+) через внутреннюю мембрану
митохондрий. В качестве разобщителей выступают синтетические соединения
(динитрофенол) или физиологические (жирные кислоты).
Значение разобщения окислительного фосфорилирования – термогенез.
Энергия электро-химического потенциала рассеивается в виде тепла.

18.

Регуляция дыхательной цепи
Соотношение АДФ/АТФ регулирует потребление кислорода клеткой.
Чем выше концентрация АДФ, тем выше скорость потребления кислорода и тем
выше скорость работы дыхательной цепи.
Чем выше концентрация АТФ, тем ниже скорость потребления кислорода и тем
ниже скорость работы дыхательной цепи.
Блокаторы дыхательной цепи:
• Ротенон - блокирует НАДН-дегидрогеназу
• Амитал, антимицин - блокирует СоQH2-дегидрогеназу
• Цианиды, СО - блокирует цитохромоксидазу

19.

Литература
1. Северин, Е. С. Биохимия / Е. С. Северин.
- М. : ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 784 с.
2. Нельсон, Д. Основы биохимии
Ленинджера : учебник. В 3 т. Т. 2.
Биоэнергетика и метаболизм / Д. Нельсон,
М. Кокс ; ред. А. А. Богданов, С. Н.
Кочетков ; пер. с англ. Т. П. Мосолова, Е.
М. Молочкина, В. В. Белов [и др.]. - М. :
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 636
с.