Тканевое дыхание (терминальное окисление)

Терминальное окисление происходит на третьей стадии клеточного дыхания. Суть этого процесса сводится к извлечению энергии из восстановленных в цикле Кребса коферментов (НАД и ФАД) путем их окисления.

Процесс терминального окисления происходит с участием дыхательной цепи митохондрий. Дыхательная цепь (цепь транспорта электронов) представляет собой совокупность переносчиков, осуществляющих транспорт электронов от восстановленного субстрата (восстановленного НАД или ФАД) на конечный акцептор – кислород.

Компонентами дыхательной цепи являются флавиновые дегидрогеназы, цитохромы, железосерные белки и др., которые функционируют в строго определенной последовательности. Ниже схематически представлена последовательность расположения основных переносчиков в дыхательной цепи митохондрий:

где НАДН – ДГ – НАДН-дегидрогеназа; цит. – цитохром.

Представленная на схеме последовательность функционирования переносчиков электронов дыхательной цепи определяется величиной их окислительно-восстановительных потенциалов. Перенос электронов происходит от переносчика с меньшим к переносчику с большим потенциалом (рис. 70). Акт переноса электронов сопровождается выделением энергии, величина которой прямо зависит от разности потенциалов между переносчиками. В том случае, если разность потенциалов превышает 0,2 В, перенос электрона сопровождается выделением более 7,3 ккал энергии, что достаточно для синтеза молекулы АТФ. В дыхательной цепи митохондрий существуют три участка, в которых разность потенциалов между соседними переносчиками превышает это значение. Данные участки представляют собой пункты фосфорилирования дыхательной цепи.

Рисунок 70 – Величина окислительно-восстановительного потенциала

переносчиков дыхательной цепи (Е – пункты фосфорилирования)

Постепенный ступенчатый перенос электронов по дыхательной цепи от восстановленного субстрата на кислород обеспечивает дробное выделение заключенной в нем энергии, что позволяет избежать теплового повреждения митохондрий.

Основным субстратом окисления дыхательной цепи митохондрий является восстановленный НАД. Его образование связано с функционированием НАД-зависимых дегидрогеназ. Перенос электрона с субстрата окисления на НАД в реакции, катализируемой данными энзимами, происходит в соответствии со следующей схемой:

или:

С восстановленного НАД электроны далее поступают на простетическую группу флавиновых дегидрогеназ. Флавиновые дегидрогеназы подразделяются на две подгруппы в зависимости от структуры их небелкового компонента (простетической группы):

· ФАД-зависимые;

· ФМН-зависимые.

Окисление восстановленного НАД в дыхательной цепи митохондрий происходит с участием НАДН-дегидрогеназы, простетическая группа которой представлена ФМН:

Электроны могут поступать на флавиновые дегидрогеназы дыхательной цепи не только с восстановленного НАД, но и с других субстратов. В качестве подобных субстратов выступают янтарная кислота, высшие жирные кислоты, глицерофосфат и др. Их окисление происходит ФАД-зависимыми дегидрогеназами. Характерным примером служит окисление янтарной кислоты в цикле Кребса, которое катализируется сукцинатдегидрогеназой:

С простетической группы флавиновых дегидрогеназ электроны далее поступают на коэнзим Q-убихонон. Убихинон представляет собой низкомолекулярное соединение липидной природы. За счет гидрофобной структуры он свободно перемещается в липидном бислое внутренней митохондриальной мембраны.

С восстановленного КoQ электроны передаются в цитохромный участок дыхательной цепи. Цитохромы представляют собой сложные белки – гемопротеиды. В зависимости от структуры входящего в их состав гема они подразделяются на группы – а, в, c и d.

Способность цитохромов участвовать в процессе переноса электронов, обусловлена входящим в состав их гема атомом железа, которое представляет собой металл переменной валентности и может существовать в окисленной (Fe⁺³) и восстановленной (Fe⁺²) формах. В отличие от НАД-зависимых и флавиновых дегидрогеназ, осуществляющих одновременный перенос двух электронов по дыхательной цепи, цитохромы являются одноэлектронными переносчиками.

Цитохромы различаются по величине окислительно-восстано-вительного потенциала. Наименьшим окислительно-восстановительным потенциалом обладает цитохром в, который выступает в роли акцептора электрона от убихинона. Восстановление цитохрома в происходит в соответствии со схемой, представленной ниже:

Окисленный Восстановленный

Транспорт электронов через цитохромы сопровождается последовательным окислением и восстановлением атомов железа в их геме:

Терминальным (конечным) компонентом дыхательной цепи является цитохромоксидаза (ЦТО). Этот переносчик включает в свой состав два цитохрома – а и а₃. Помимо этого, в состав цитохромоксидазы входят два атома меди. Медь подобно железу представляет собой металл переменной валентности. Она может существовать в окисленной (Cu⁺²) и восстановленной (Cu⁺) формах. Оба атома меди, входящие в состав цитохромоксидазы, принимают непосредственное участие в переносе электронов до дыхательной цепи. Причем перенос электрона с цитохромоксидазы на кислород происходит именно через атом меди:

В результате переноса четырех электронов на молекулу кислорода и связывания четырех протонов из матрикса образуется две молекулы воды. Вода, образующаяся в процессе тканевого дыхания, называется эндогенной водой.

В том случае, если на кислород переносится не четыре, а меньшее количество электронов, возникают продукты неполного восстановления кислорода. При одноэлектронном восстановлении возникает супероксидный анион-радикал (О₂^-), при двухэлектронном восстановлении – перекись водорода (Н₂О₂).

Продукты неполного восстановления кислорода являются токсичными соединениями, которые обладают способностью повреждать клетку, в которой они образуются. В этой связи в клетках существуют особые ферментные системы, которые разрушают эти продукты обмена веществ (каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза и др.:

На самом деле дыхательная цепь имеет значительно более сложное строение, чем было представлено. В ее состав входят несколько десятков переносчиков электронов. Особенно широкое распространение из них имеют железо-серные белки, которые проявляют свойства одноэлектронных переносчиков.

Все переносчики дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану. Они не случайно разбросаны по ней, а объединены в четыре отдельных комплекса:

· I комплекс включает НАДН-дегидрогеназу и ряд железосерных белков;

· II комплекс содержит ФАД-зависимый фермент (сукцинатдегидрогеназу) и ряд железо-серных белков;

· III комплекс включает в состав цитохромы в, с₁ и железо-серные белки;

· IV комплекс представляет собой цитохромоксидазу.

Комплексы дыхательной цепи представляют собой огромные надмолекулярные структуры, основу которых составляют интегральные белки, встроенные во внутреннюю митохондриальную мембрану. В комплекс объединены переносчики, которые имеют близкий окислительно-восстановительный потенциал (рис 71).

Рисунок 71 – Комплексы дыхательной цепи митохондрий

(поперечная линия указывает место действия ингибиторов дыхания)

Отдельные комплексы дыхательной цепи представляют собой очень громоздкие образования, которые не могут перемещаться в мембране. По этой причине они не имеют возможности прямо передавать друг другу электроны. Передача электронов между различными комплексами дыхательной цепи осуществляется с помощью подвижных переносчиков. В качестве таких подвижных переносчиков между комплексами I и III, а также II и III выступает KoQ, между комплексами III и IV – цитохром с.

В специальных исследованиях было показано, что пункты фосфорилирования дыхательной цепи находятся на уровне I, III и IV комплексов.

Перенос электронов по дыхательной цепи специфически тормозится под влиянием особой группы веществ – ингибиторов дыхания (дыхательных ядов). По действию на дыхательную цепь они подразделяются на три основные группы (рис. 71):

1) ингибиторы, тормозящие перенос электронов через I комплекс дыхательной цепи (барбитураты, ретенон);

2) ингибиторы, тормозящие перенос электронов через III комплекс дыхательной цепи (миксотиазол, антимицин А);

3) ингибиторы IV комплекса дыхательной цепи (цианиды, окись углерода, азиды и др.).

Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выделением энергии, которая может запасаться в форме АТФ. Процесс синтеза АТФ, сопряженный с функционированием дыхательной цепи митохондрий, определяется как окислительное фосфорилирование. Именно окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в клетках аэробных организмов.