V. Основные процессы дыхательной цепи

Процесс дыхания клеток включает несколько стадий:

1) Окисление с образованием ацетил-КоА из ПВК, ВЖК и аминокислот.

2) Разрушение ацетильных групп в цикле Кребса с высвобождением CO₂ и накоплением водорода.

3) Стадия дыхания – перенос ē-в к молекулярному кислороду.

Эту стадию мы и рассмотрим в этом вопросе.

Структурная организация стадии дыхания в митохондриях очень сложна. Процессы дыхания протекают на внутренней мембране митохондрий. Ферментные системы, вовлечённые в транспорт ē-в по дыхательной цепи, весьма многочисленны.

В 1930 г. немецкие биохимики Кейлин и Варбург предположили, что процесс окисления водорода кислородом воздуха в дыхательной цепи идёт многостадийно, посредством электронных переносчиков. Они расположены вдоль дыхательной цепи в порядке возрастания их восстановительных потенциалов. Общий вид окислительно-восстановительных реакций можно представить следующим образом:

Каждая такая реакция характеризуется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, равным ЭДС, выраженной в вольтах, и возникающей на электроде, способном обратимо принимать ē от восстановителя, находящемся в равновесии с раствором, в котором восстановитель и окислитель присутствуют в концентрациях 1 моль/л при 25⁰ С и рН = 7.

В качестве стандартного нулевого потенциала при этом принимают восстановительный потенциал реакции:

[H⁺] = 10^–7 моль/л.

Во всех биохимических расчётах стандартный восстановительный потенциал системы E^'₀ = –0,42 В.

Некоторые стандартные окислительно-восстановительные потенциалы сопряжённых окислительно-восстановительных пар:

Сопряжённые окислительно-восстановительные пары	Стандартные электродные потенциалы E'0, В
	–0,6
	–0,32
	–0,22
	–0,19
Цитохромы:	b	+0,03
	c1	+0,22
	c	+0,25
	a	+0,25
	a3	+0,39
	+0,82

Данные приведены для двухэлектронного переноса, рН = 7, t = 25⁰ С. Чем ниже стандартный окислительно-восстановительный потенциал, тем труднее восстанавливается окислитель.

Как известно, окислители и восстановители всегда функционируют как сопряжённые окислительно-восстановительные пары. В соответствии с предположениями Кейлина и Варбурга ē-ны субстрата (восстановителя) в первой окислительно-восстановительной реакции дыхательной цепи передаются к окисленной форме первого переносчика с участием фермента, который восстанавливается. Затем ē с восстановленной формы первого переносчика передаётся окисленной форме другого переносчика и т.д.

В результате 30-летних экспериментальных исследований были выделены дыхательные переносчики в митохондриях и сгруппированы в 4 группы:

1) пиридинзависимые дегидрогеназы;

2) флавинзависимые дегидрогеназы;

3) убихинон (кофермент Q);

4) цитохромы.

1) Пиридинзависимые дегидрогеназы катализируют восстановление окисленной формы коферментов НАД и НАДФ. К настоящему времени известно более 200 таких дегидрогеназ. Активаторами многих из них являются ионы двухвалентных металлов.

Впервые НАД был выделен Варбургом в 1933 г. Впоследствии исследования, проведённые Варбургом и другими учёными позволили установить механизм реакции восстановления НАД. Данный механизм является сложным и заключается в переносе двух атомов водорода, один из которых является протоном, а другой – гидрид-анионом. Первый присоединяется к молекуле НАД по месту наибольшей локализации отрицательного заряда, а второй – по месту с большой концентрацией положительного заряда.

Реакция восстановления НАД легко экспериментально прослеживается методом УФ-спектроскопии, поскольку НАД · Н₂ по сравнению с НАД обладает слабой полосой поглощения при 440 нм, связанной с внутримолекулярным переносом заряда в биполярной структуре.

С восстановленной формой НАД · Н₂ восстановительные эквиваленты (атом водорода и ē) переносятся на флавинадениндинуклеотид (ФАД) с помощью ферментов 2-й группы – флавинзависимых дегидрогеназ.

2) Флавинзависимые дегидрогеназы. Их коферментом является ФАД, в состав которого входит рибофлавин (витамин B₂). Механизм реакции с участием флавинзависимых дегидрогеназ представляет собой прямой перенос пары атомов водорода от НАД · Н₂ с образованием ФАД · Н₂. Реакция, вероятно, протекает в две стадии. Вначале идёт перенос первого атома водорода с образованием так называемой семихинонной формы свободного радикала, а затем данная форма присоединяет второй электрон с атомом водорода и превращается в ФАД · Н₂.

Данный процесс также можно изучить с помощью метода УФ спектроскопии, так как окисленные флавиновые дегидрогеназы интенсивно окрашены и их можно определить по полосе поглощения при 450 нм. При восстановлении ФАД эта полоса исчезает.

3) Кроме рассмотренных белковых компонентов в дыхательную цепь входит сравнительно малоизученный переносчик – убихинон, или кофермент Q, расположенный между флавиновой и цитохромной системами. Реакции с участием убихинона следующие:

4) Цитохромы. Содержат железопорфириновую систему в качестве простетической группы (сходство с гемоглобином). Цитохромы переносят ē от восстановленного убихинона к молекулярному кислороду. В процессе переноса ē железо в железопорфириновой системе меняет свою степень окисленияот Fe⁺² до Fe⁺³. Кислородом воздуха может окислять последний цитохром, называемый цитохромоксидазой.

Всего в митохондриях обнаружено 5 групп цитохромов, которые условно называются b, c, c₁, a, a₃. Только цитохром c был выделен в чистом виде, а другие цитохромы прочно связаны с мембраной митохондрий. Цитохромоксидазная система (a + a₃) принимает ē от восстановленного цитохрома с и затем окисляется кислородом воздуха. Цитохромоксидазная система представляет собой комплекс из 6-ти субъединиц и имеет молекулярную массу 240 тыс. Да. Каждая из субъединиц содержит одну группу гемма A, а сам цитохром a₃, который может реагировать с кислородом воздуха, состоит из 4-х субъединиц, которые кроме атомов Fe содержат атомы Cu. Процесс переноса ē на кислород сопровождается также окислением меди:

Cu⁺ – ē ® Cu²⁺

До сих пор не удалось создать дыхательную цепь из очищенных компонентов, так как огромную роль в функционировании цепи играют липиды внутренней мембраны митохондрий, которые образуют с ферментами надмолекулярные структуры. Такие структуры представляют собой единые функциональные единицы (дыхательные ансамбли). Предполагается, что каждая митохондрия в клетках печени содержит около 5 тыс. дыхательных ансамблей.

Кроме ферментов самой дыхательной цепи, в дыхательные ансамбли входят также ферменты, синтезирующие АТФ из АДФ за счёт энергии дыхательной цепи. Таким образом общая схема дыхательной цепи такова: