Обзор цикла Кребса. Электрон- транспортная цепь: Часть 2

Видео

Конспект

Подытожим цикл Кребса. Начнем запись баланса реакции с цитрата, минуя цитратсинтазную реакцию. Брутто-формула цитрата — C_6H_8O_7 , он превращается в оксалоацетат и 2 молекулы CO_2 . Уравниваем кислород путем добавления в левую часть воды. Расставляем восстановительные эквиваленты: 3НАДН+Н^+ (пируватдегидрогеназная, \alpha -кетоглутаратдегидрогеназная и малатдегидрогеназная реакции) и 1ФАДН_2 (сукцинатдегидрогеназная реакция). Также не забываем, что в сукцинил-КоА-синтетазной реакции образуется 1 АТФ (1 ГТФ в случае животных).

9 Из одной глюкозы мы получаем две молекулы пирувата, таким образом, все полученные количества продуктов нужно умножить на два.

Прежде чем переходить к рассмотрению ЭТЦ, подытожим все реакции окисления глюкозы. Подсчитаем, сколько во всех этих путях образовалось восстановительных эквивалентов ( НАДН+Н^+ , ФАДН_2 ) и АТФ. Результаты представлены в Таблице 1, где все расчеты приведены на 1 молекулу глюкозы.

Этап

НАДН+Н^+

ФАДН_2

АТФ

Гликолиз

2

—

2

Окисление пирувата

2

—

—

Цикл Кребса

6

2

2

Итого за все эти стадии образовалось 10 НАДН+Н^+ , 2 ФАДН_2 и 4 АТФ. АТФ является конечным продуктом реакции окисления глюкозы, а вот восстановительные эквиваленты поступают в ЭТЦ.

Рассмотрим в общем виде, что происходит в ЭТЦ. Для превращения НАДН+Н^+ обратно в НАД^+ нужен окислитель, причем довольно сильный, чтобы разность потенциалов была большой и была возможность запасти побольше энергии в виде АТФ. Классическим окислителем выступает кислород, который является конечном акцептором электронов в ЭТЦ.

Такая же реакция протекает с молекулой ФАДН_2 . В результате ЭТЦ из восстановительных эквивалентов ( 10 НАДН+Н^+ , 2 ФАДН_2 ) сделает 12 молекул воды. Данная вода называется метаболической (эндогенной), большое количество которой образуется при окислении не только углеводов, но и, например, жиров и прочей органики.

Приступим к более подробному рассмотрению работы ЭТЦ. ЭТЦ представляет собой цепь белковых переносчиков электронов, заякоренных во внутренней мембране митохондрий. ФАДН_2 по потенциалу ближе к кислороду и, следовательно, при передаче электронов от него к O_2 будет выделяться меньше энергии, чем при передаче электронов от НАДН+Н^+ до O_2 . Как мы уже обсуждали ранее, непосредственная передача электронов от восстановительных эквивалентов к O_2 в одну реакцию приводила бы к потере большого количества энергии, поэтому передача электронов осуществляется последовательно по цепочке из более чем десятка переносчиков. Потенциал каждого следующего переносчика близок к потенциалу предыдущего, что позволяет минимизировать потери энергии, так как за одну реакцию переноса электронов выделяется лишь малая порция энергии, которая успевает эффективно запастись. Можно провести аналогию: если бы электрон напрямую попадал от НАДН+Н^+ к O_2 , то он бы вел себя как камень, катящийся с крутой скалы. Наличие переносчиков можно сравнить с порожками на скале, которые позволяют совершить остановку и, в нашем случае, запасти энергию.

Четыре крупных белковых комплекса ЭТЦ состоят из нескольких белков каждый, отдельные белковые компоненты этих комплексов выполняют функцию переносчиков электронов. Как правило, такие переносчики содержат переходные металлы ( Fe или Cu ). Железо может быть координировано функциональными группами белка, но может находиться и в составе специального органического кофактора гема, который является частью белков — цитохромов, являющихся одноэлектронными переносчиками.

10 Всего в ЭТЦ четыре комплекса. Как мы уже сказали, все комплексы расположены во внутренней мембране митохондрий, а вот во внешней мембране митохондрий расположено множество белков — поринов, через которые легко проходят вещества из цитоплазмы. Комплексы можно обозначить римскими цифрами: I, II, III, IV, однако они имеют и “функциональные” названия.

I комплекс ( НАДН+Н^+ -дегидрогеназа) — забирает электроны от НАДН+Н^+ и передает на флавинаденинмононуклеотид (ФМН), находящийся в составе I комплекса. От ФМН электроны попадают на цепь других переносчиков I комплекса. Для переноса электронов от I комплекса к III нужны мобильные переносчики — убихиноны ( UQ ).

11 Убихиноны также способны переносить два протона и два электрона, их восстановленная форма обозначается как UQH_2 или более общее обозначение для хинонов QH_2 . Убихинон за счет своего гидрофобного изопреноидного хвоста хорошо диффундирует в мембране.

III комплекс носит название цитохром b/c1 комплекса. Как следует из названия, основными переносчиками электронов в нём являются цитохромы. Проходя через переносчики III комплекса, электроны от UQH_2 попадают на мобильный переносчик цитохром c ( cyt c ), который переносит электроны уже к IV комплексу.

IV комплекс (цитохром aa3 комплекс; цитохром c оксидаза) осуществляет последовательный перенос (с наносекундным интервалом) двух электронов, полученных от цитохромов c, на O_2 с образованием H_2O через ряд последовательных одноэлектронных переносчиков. Таким образом, два электрона, попавшие в ЭТЦ от одного НАДН+Н^+ , в итоге попадают на один атом кислорода из молекулы O_2 и превращают его в одну молекулу воды.

II комплекс является альтернативным входом в ЭТЦ для ФАДН_2 . Данный комплекс также называется сукцинатдегидрогеназным и является ферментом цикла Кребса. В отличие от НАДН+Н^+ , ФАДН_2 не является мобильным переносчиком. То есть ФАДН_2 не может отсоединиться от сукцинатдегидрогеназы и пойти самостоятельно в ЭТЦ, именно поэтому сукцинатдегидрогеназа является одновременно ферментом ЭТЦ и цикла Кребса. От ФАДН_2 электроны через ряд переносчиков II комплекса попадают на убихинон, затем проходят через III комплекс, цитохром с, IV комплекс и в конце попадают на кислород, превращая его в воду.

Обобщить передачу электронов в ЭТЦ можно в виде схемы.

12 Перейдем к обсуждению получения энергии за счёт работы ЭТЦ. Пока электрон перемещается внутри комплекса, высвобождается энергия, которая переводит некоторые белковые субъединицы комплекса в так называемую напряженную конформацию или делает какие-то части комплекса более подвижными. Из-за данных изменений комплексы начинают работать как протонные насосы (помпы). Так, первый и третий комплексы в расчёте на каждые поступившие в них два электрона переносят по 4H^+ из матрикса митохондрии в межмембранное пространство против градиента концентрации. Четвертый комплекс в расчёте на два пришедших в него электрона переносит 2H^+ . Второй комплекс не вносит вклад в протонный градиент. Итого, на 1 НАДН+Н^+ переносится 10H^+ против градиента концентрации, на 1 ФАДН_2 — 6H^+ .

Протоны в матриксе могут возникать просто из H_2O , которая является амфолитом и может диссоциировать на протон и гидроксид-ион. Создаваемый протонный градиент как раз и является одной из форм запасания энергии. Почему? Дело в том, что если по одну сторону от мембраны протонов будет больше, чем по другую, протоны начнут самопроизвольно переходить по своему градиенту и выделяющаяся при переносе заряженных частиц энергия при некоторых условиях может быть конвертирована в АТФ. Градиент протонов является электрохимическим градиентом, в результате формирования которого на внутренней митохондриальной мембране возникает разница потенциалов \simeq 200 мВ .