Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ II. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ

ГЛАВА 9. БІОЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ: ТРАНСПОРТ ЕЛЕКТРОНІВ; ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ В МІТОХОНДРІЯХ

9.3. МОЛЕКУЛЯРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ЛАНЦЮГА БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ В МІТОХОНДРІЯХ

Система біологічного окислення, що локалізована в мембранах мітохондрій , здійснює дегідрування органічних субстратів та послідовний перенос відновлю- вальних еквівалентів на кисень через ряд проміжних переносників — транспортерів електронів та протонів. Ця система організована у вигляді ланцюга електронного транспорту, або дихального ланцюга мітохондрій.

Дихальний ланцюг мітохондрій — сукупність молекулярних компонентів (ферментів та коферментів), які вбудовані в ліпідний матрикс внутрішніх мітохондріальних мембран і здійснюють окислення біологічних субстратів та послідовне, ступеневе транспортування відновлювальних еквівалентів на кисень з утворенням молекули води.

Компоненти дихального ланцюга мітохондрій:

НАДН-дегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює відновлений НАД⁺ (НАДН); входить до складу молекулярного комплексу внутрішніх мітохондріальних мембран НАДН-коензим Q-редуктази.

Сукцинатдегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює янтарну кислоту; входить до складу молекулярного комплексу сукцинат-коензим Q-редуктази.

Коензим Q (убіхінон) — ліпідорозчинний хінон з ізопреноїдним бічним ланцюгом, що містить у тканинах ссавців десять п’ятивуглецевих ізопреноїдних залишків (Q₁₀). Убіхінон виконує функцію колектора відновлювальних еквівалентів, акцептуючи протони та електрони не тільки від ФМН-залежної НАДН-дегідрогенази, а й від ФАД-залежних дегідрогеназ мітохондрій (сукцинатдегідрогенази та дегідрогеназ системи β-окислення жирних кислот тощо).

Цитохроми мітохондрій:

Цитохром b.

Цитохром c₁.

Цитохром c.

Цитохром a.

Цитохром a₃.

Залізо-сіркові білки, що містять негемове залізо (FeS), — це білки, асоційовані з флавопротеїнами мітохондрій (металофлавопротеїнами) та цитохромом b.

Послідовність передавання електронів від одного компонента дихального ланцюга мітохондрій до іншого визначається стандартними окислювально- відновлювальними потенціалами цих компонентів — табл. 9.1.

Таблиця 9.1. Стандартні окислювально-відновлювальні потенціали компонентів дихального ланцюга мітохондрій

Окремі ферменти та коферменти, що складають дихальний ланцюг, структурно об’єднані між собою в надмолекулярні (мультиензимні) комплекси, інтегровані в ліпідний матрикс внутрішніх мембран мітохондрій, що створює стеричні умови, необхідні для ефективного перебігу окислювально-відновлювальних реакцій.

Комплекси дихального ланцюга внутрішніх мембран мітохондрій

НАДН-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (являє собою флавопротеїн, що містить ФМН), який окислює НАДН і передає відновлювальні еквіваленти на коензим Q (убіхінон); у складі НАДН-коензим Q-редуктази НАДН- дегідрогеназа асоційована з FeS-білками (так званий комплекс I).

Сукцинат-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (ФАД-залежний флавопротеїн), який окислює сукцинат, відновлюючи коензим Q; до складу комплексу входить флавопротеїн сукцинатдегідрогеназа, асоційована з Fe S-білком (комплекс II).

Коензим Q-цитохром с-редуктаза (убіхінолдегідрогеназа) — ферментний комплекс, що складається з цитохрому b, FeS-білка та цитохрому c₁; ферментний комплекс транспортує електрони з відновленого коензиму Q (QH,) на цитохром c (комплекс III).

Цитохром с-оксидаза — ферментний комплекс, що складається з цитохромів а та а₃ (комплекс IV); комплекс здійснює кінцеву стадію біологічного окислення — відновлення електронами молекулярного кисню; він містить іони міді, як і інші оксидази.

Шляхи включення відновлювальних еквівалентів у дихальний ланцюг мітохондрій

1. Включення протонів і електронів у дихальний ланцюг через ФМН флавопротеїну НАДН-коензим Q-редуктази. Цим шляхом на молекулу убіхінону надходять відновлювальні еквіваленти, відщеплені від відповідних субстратів НАДН-залежними дегідрогеназами.

2. Включення протонів і електронів у дихальний ланцюг через ФАД сукцинаткоензим Q-редуктази та деяких інших ФАД-залежних дегідрогеназ. Цим шляхом на убіхінон надходять відновлювальні еквіваленти від янтарної кислоти — метаболіту циклу трикарбонових кислот та певних інших субстратів.

Послідовність включення окремих компонентів системи транспорту електронів і протонів у дихальний ланцюг мітохондрій подано на рисунку 9.2.

Як випливає з наведеної схеми, дихальний ланцюг мітохондрій організований таким чином, що перенос у ньому відновлювальних еквівалентів (електронів) відбувається в напрямку від електронегативного кінця (флавопротеїнів) до електропозитивного цитохрому а₃. Більшість метаболітів (субстрати гліколізу, циклу трикарбонових кислот тощо) передає атоми водню в дихальний ланцюг через НАДН-дегідрогеназу (Е-ФМН); сукцинат та КоА-похідні жирних кислот віддають електрони та протони на коензим Q через специфічні флавопротеїни (Е-ФАД), минаючи ФМН-залежний флавопротеїн.

Убіхінон є останнім компонентом дихального ланцюга мітохондрій, що здатний транспортувати як електрони, так і протони. На рівні цитохрому b шляхи електронів і протонів розділяються — протони переходять з внутрішньої поверхні мітохондріальної мембрани на зовнішню, а електрони через послідовність цитохромів транспортуються на цитохром а₃, який відновлює кисень:

Взаємодія відновленого кисню з вільними протонами мітохондріального матриксу призводить до утворення молекули води:

Рис. 9.2. Схема організації дихального ланцюга мітохондрій. I-IV — електронотранспортні комплекси мітохондріальних мембран. Позначення: α-КГ — α-кетоглутарат; β-ГО-ацил-КоА — β-гідроксиацил-КоА; Гл-3-Ф — гліцерол-3-фосфат.