Головна
Реферати » Реферати по біології » Біологічне окислення

Біологічне окислення

градиенту одна молекула АТФ. У той же час система симпорта сполучає перехід фосфату всередину мітохондрії з спрямованим туди ж потоком Н +: протони входять в матрикс за своїм градієнту і при цьому "тягнуть" за собою фосфат. Подібні до чином переноситься в матрикс і піруват. Енергія електрохімічного протонного градієнта використовується також для перенесення в матрикс іонів Са2 +, які, очевидно, грають важливу роль в регуляції активності деяких мітохондріальних ферментів.

Чим більше енергії електрохімічного градієнта витрачається на перенесення молекул і іонів в мітохондрії, тим менше залишається для синтезу АТФ.
Наприклад, якщо ізольовані мітохондрії помістити в середовище з високим вмістом Са2 +, то вони повністю припинять синтез АТФ; вся енергія градієнта буде витрачатися на транспорт Ca2 + в матьрікс. У деяких спеціалізованих клітинах електрохімічний протонний градієнт
«шунтируется» таким чином, що мітохондрії замість синтезу АТФ утворюють тепло. 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 підтримувати високе відношення концентрацій ATФ / AДФ в клітинах. За допомогою особливого білка, вбудованого у внутрішню мембрану, AДФ транспортується в матрикс в обмін на АТФ за принципом антипорта. В результаті молекули AДФ, що вивільняються при гідролізі АТФ в цитозолі, швидко надходять в мітохондрії для «перезарядки» , в той час як молекули АТФ, що утворюються в матриксі в процесі окисного фосфорилювання, теж швидко виходять в цитозоль, де вони потрібні. В організмі людини молекули АТФ за добу, що дозволяє підтримувати в клітці концентрацію АТФ, більш ніж в 10 разів перевищує концентрацію АДФ.

У процесі окисного фосфорилювання кожна пара електронів НАДH забезпечує енергією освіту приблизно трьох молекул АТФ. Пара електронів ФАДH2, що володіє меншою енергією, дає енергію для синтезу тільки двох молекул АТФ. У середньому кожна молекула ацетил-СоА що надходить в цикл лимонної кислоти, дає близько 12 молекул АТФ. Це означає, що при окисленні однієї молекули глюкози утворюються 24 молекули АТФ, а при окисленні однієї молекули пальмітату - жирної кислоти з 16 вуглецевими атомами - 96 молекул АТФ. Якщо врахувати також екзотермічні реакції, що передують утворенню ацетил-СоА, виявиться, що повне окислення однієї молекули глюкози дає близько 36 молекул АТФ, тоді як при повному окисленні пальмітату утворюється приблизно 129 молекул АТФ. Це максимальні величини, так як фактично кількість синтезованого в мітохондріях АТФ залежить від того, яка частка енергії протонного градієнта йде на синтез АТФ, а не на інші процеси. Якщо сравніт' зміна вільної енергії при згорянні жирів і вуглеводів прямо до СО2 і Н2О із загальною кількістю енергії, що запасається в фосфатних зв'язках АТРФ в процесах біологічного окислення, виявиться, що ефективність перетворення, енергії окислення в енергію АТФ часто перевищує 50%.
Оскільки вся невикористана енергія вивільняється у вигляді тепла, великі організми потребували б більш ефективних способах відводу тепла в навколишнє середовище.

Величезна кількість вільної енергії, що вивільняється при окисленні, може ефективно використовуватися тільки дрібними порціями. У складному процесі окислення бере участь багато проміжних продуктів, кожен з яких лише незначно відрізняється від попереднього. Завдяки цьому вивільняється енергія дробиться на менші кількості, які можна ефективно перетворювати за допомогою сполучених реакцій в високоенергетичні зв'язку молекул АТФ і НАДH.

У 1960 р. було вперше показано, що різні мембранні білки, що у окислювальному фосфорилировании, можуть бути виділені без втрати активності. Від поверхні субмітохондріальних частинок вдалося відокремити і перевести в розчинну форму усеівающіе їх крихітні білкові структури. Хоча субмітохондріальние частинки без цих сферичних структур продовжували окисляти НАДH в присутності кисню, синтезу АТФ при цьому не відбувалося. З іншого боку, виділені структури діяли як
АТФази, гидролизуя АТФ до АДФ і Фн. Коли сферичні структури
(названі F1-АТФази) додавали до позбавленим їх субмітохондріальним частинкам, реконструйовані частинки знову синтезували АТФ з AДФ і Фн.
F1-АТФази - це частина великого, пронизливого всю товщу мембрани комплексу, який складається щонайменше з дев'яти різних поліпептидних ланцюгів. Цей комплекс отримав назву АТФ-синтетаза; він становить близько 15% всього білка внутрішньо мітохондріальноі мембрани.
Вельми подібні АТФ-синтетази є в мембранах хлоропластів і бактерій.
Такий білковий комплекс містить трансмембранні канали для протонів, і відбувається тільки тоді, коли через ці канали проходять протони вниз за своїм електрохімічного градієнту.

АТФ-синтетаза може діяти в зворотному напрямку - розщеплювати
АТФ і перекачувати протони. Дія АТФ-синтетази оборотно: онa здатна використовувати як енергію гідролізу АТФ для перекачування протонів через внутрішню мітохондріальну мембрану, так і енергію потоку протонів по електрохімічного градієнту для синтезу АТФ. Таким чином, АТФ-синтетаза
- це оборотна сполучає, система, яка здійснює взаємоперетворенням енергіїелектрохімічного протонного градієнта і хімічних зв'язків.
Напрям її роботи залежить від співвідношення між крутизною протонного градієнта та локальної величиною (G для гідролізу АТФ.

АТФ-синтетазу отримала свою назву у зв'язку з тим, що в звичайних умовах npoтоннoro градієнта, підтримуваного дихальної ланцюгом, синтезує більшу частину всього АТФ клітини. Число протонів, необхідне для синтезу однієї молекули АТФ, в точності не відомо. При проходженні через АТФ-синтетазу протонів синтезується одна молекула АТФ.

Як працюватиме в даний момент АТФ-синтетазу - у напрямку синтезу або гідролізу АТФ, - залежить від точного балансу між змінами вільної енергії для проходження трьох протонів через мембрану в матрікc і для синтезу АТФ в матриксі. Як вже говорилося, величина (Gсінт . АТФ визначається концентраціями трьох речовин в матриксі мітохондрії - АТФ, AДФ і Фн. При постійній протонодвіжущей силі АТФ-синтетазу буде синтезувати
ATФ тих пір, поки відношення АТФ до AДФ і Фн не досягне такого значення, при якому величина (Gсінт.АТФ стане в точності дорівнює +15,2 ккaл / мoль. За таких умов синтез АТФ буде точно врівноважуватися його гідролізом.

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

Якщо АТФ-синтетазу в нормі не транспортує Н + з матриксу, то дихальна ланцюг, що знаходиться у внутрішній мітохондріальній мембрані, при нормальних умовах переносить через цю мембрану протони, створюючи таким чином електрохімічний протонний градієнт, який доставляє енергію, для синтезу AТФ.

Більшість переносників електронів, що входять до складу дихального ланцюга, поглинають світло, і їх окислення або відновлення супроводжується зміною кольору. Зазвичай спектр поглинання і реакционноспособна кожного переносника досить характерні, що дозволяє навіть в неочищеному екстракті простежувати зміни його станів за допомогою спектроскопії . Це дало можливість виділити такі переносники задовго до того, як стала зрозуміла їх справжня функція. Наприклад, цитохроми були відкриті в 1925 р як сполуки, які швидко окислюються і відновлюються у таких різних організмів, як дріжджі, бактерії і комахи. Спостерігаючи клітини і тканини за допомогою спектроскопа, вдалося ідентифікувати три типи цитохромів, які розрізнялися за спектрами поглинання і названі цитохромами а, b і c. Клітини містять кілька видів цитохромів кожного типу, і класифікація за типами не відображає їх функцію.

Найпростіший переносник електронів являє собою невелику гидрофобную молекулу, розчинену в ліпідному Біслі і звану убихинона або коферментом Q. Він здатний прийняти або віддати як один, так і два електрона і тимчасово захоплює з середовища протон при перенесенні кожного електрона.

Малюнок 4. Структура убихинона. [10,1993]

Дихальна ланцюг містить три великих ферментних комплексу, вбудованих у внутрішню мембрану

мембранні білки важко виділити у вигляді інтактних комплексів, так як вони нерозчинні в більшості водних розчинів, а такі речовини, як детергенти і сечовина, необхідні для їх солюбилизации, можуть перешкоджати нормальному білок-білкове взаємодія. Однак на початку 1960-х рр. було виявлено, що за допомогою відносно м'яких іонних детергентів, таких як дезоксихолат, можна солюбілізірованних деякі компоненти мітохондріальної внутрішньої мембрани в нативної формі. Це дозволило ідентифікувати і виділити три головних пов'язаних з мембраною комплексу дихальних ферментів на шляху від НАДH до кисню.

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

1. НАДН-дегідрогеназну комплекс - найбільший з дихальних ферментних комплексів - має молекулярну масу понад 800000 і містить більше 22 поліпептидних ланцюгів. Він приймає електрони від НАДH і передає їх через флавін і щонайменше п'ять залізо-сірчаних центрів на_ убіхінон - невелику жиророзчинну молекулу, передаюшую електрони на другий комплекс дихальних ферментів-комплекс b-c1.

2. Комплекс b-з1 складається щонайменше з 8 різних поліпептидних ланцюгів і, ймовірно, існує у вигляді димеру з молекулярною масою 500000.
Кожен мономер містить три тема, пов'язаних з цитохрому, і залізо-сірчаний білок. Комплекс приймає електрони від убихинона і

Сторінки: 1 2 3 4 5 6 7 8