Биоэнергетика. Энергетическое сопряжение презентация

Окислительно-восстановительный (редокс-) потенциал 1. Реакции, при которых происходит перенос электронов от одних молекул к другим, называются окислительно-восстановительными и образуют редокс-систему. 2. Редокс-система характеризуется определенным соотношением окисленных(Ox) и восстановленных (Red) форм - Ox/ Red 3. Способность донора в сопряженной окислительно-восстановительной паре отдавать электроны сопряженному акцептору характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП) - Е0׀ 4.Чем выше ОВП системы, тем сильнее ее окислительные свойства; чем ниже ОВП, тем выше ее восстановительные свойства. 5. Е0׀ характеризует изменение свободной энергии системы при переносе электронов между компонентами ЭТЦ.

Редокс-потенциал Уравнение Нернста для редокс-потенциала: Е0׀ = Е0 + RT/nF •ln[Ox]/[Red] - Стандартный электрод сравнения (Е0) – водородный электрод (платиновая пластинка), погруженный в 1М раствор Н+ , находящийся в равновесии с газообразным Н2 при давлении 1 атм. - Стандартный редокс-потенциал (Е0 ) условно принимают равным 0 в растворе с активностью ионов Н+ = 1, Т = 298 К - В ЭТЦ митохондрий Е0׀ изменяется от -0,32 В (в начале цепи) до +0,82 В в конце цепи, ∆ Е0׀ = 1,14 В. Градиент Е0׀ - движущая сила синтеза АТФ. Для синтеза 1 мол АТФ требуется ∆ Е0׀ = 0,18 В (34,5 кДж/моль)

Строение митохондрий

Комплексы митохондриальной цепи переноса электронов

Электрон-транспортная цепь митохондрий

Подвижный переносчик ЭТЦ митохондрий - убихинон

Строение железо-серных центров

Потоки электронов и протонов через четыре комплекса в дыхательной цепи митохондрий

Митохондриальные комплексы могут образовывать ассоциаты – «респирасомы». Модель респирасомы, состоящей из комплексов III и IV.

Положения хемиосмотической теории П.Митчелла (1961) Ферментные реакции, в которых одновременно протекают химические превращения и транспорт частиц называются хемиосмосмотическими. Реакции окисления создают разность концентраций протонов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий, ∆μн+ играет роль резервуара энергии. Окисление связано с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий. Перенос электронов сопровождается переносом через мембрану протонов в межмембранное пространство против градиента концентрации. Это приводит к возникновению химического градиента (∆рН) и электрического градиента (∆φ) 5. Поток протонов из межмембранного пространства через протонные каналы Fo АТР-синтазы по градиенту концентрации дает свободную энергию для синтеза АТР.

Положения хемиосмотической теории П.Митчелла Электрохимический градиент протонов включает две составляющих: осмотическую (∆рН) и электрическую (∆φ) ∆μн+ = 2,3 RT∆рН + F ∆φ Результирующий эффект – возникновение протон-движущей силы (∆G) химический потенциал→синтез АТР под←электрический потенциал ∆рН → действием ∆μн+ ← ∆φ

Возникновение протон-движущей силы

Хемиосмотическая теория

Трансмембранный перенос протонов приводит к вращению ротора АТФ-синтазы

Схема вращательного катализа АТР-синтазы по механизму изменения селективности активных центров (П.Бойер)

Механизм синтеза АТФ Механизм синтеза АТФ был предложен P. Boyer и включает 3 стадии, в результате которых происходит изменение конформации β-субъединицы: β-субъединица находится в β-АДФ-конформации и связана с АДФ и Рн; β-субъединица переходит в β-АТФ-конформацию. Эта форма прочно связывает и стабилизирует АТФ; β-субъединица меняет конформацию на β-«пустая», которая имеет низкое сродство к АТФ и молекула АТФ освобождается с поверхности фермента. - Движение протонов через Fо канал вызывает поворот центрального ствола γ-субъединицы вокруг оси на 120°. - γ-Субъединица проходит через центр α3β3-сфероида и вызывает конформационные изменения: β-АТФ центр переходит в конформацию «β-пустая» и АТФ диссоциирует. Полный поворот γ-субъединицы (на 3600) вызывает образование 3 молекул АТФ.

АТФ-синтасома Адениннуклеотидтранслоказа (антипортер) связывает АДФ3- в межмембранном пространстве и транспортирует его в матрикс в обмен на АТФ4- из матрикса. При этом перемещаются 4 отрицательных заряда наружу и три внутрь, образуется электрохимический трансмембранный градиент, который заряжает матрикс отрицательно. Электрохимический градиент обеспечивает обмен АТФ-АДФ. Транслоказа специфически ингибируется атрактилозидом – токсическим гликозидом, выделяемым чертополохом. Если транспорт АДФ и АТФ ингибируется, цитозольный АТФ не может синтезироваться из АДФ. 2. Фосфаттранслоказа (симпортер) обеспечивает транспорт Н2РО4▬ и одного Н+ в матрикс. Этот процесс обеспечивает образование протонного градиента. 3. АТФ-синтаза и две транслоказы связаны между собой и могут быть выделены из митохондрий в виде АТФ-синтасомы.

Белок термогенин разобщает дыхание и фосфорилирование в митохондриях бурого жира, что приводит к генерации тепла

Разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования На разобщении дыхания и фосфорилирования основана терморегуляторная функция тканевого дыхания. Тканевое дыхание, протекающее в митохондриях и не сопровождающееся образованием макроэргов, называют свободным или нефосфорилирующим окислением. Природным разобщающим агентом является термогенин, протонный канал в митохондриях бурых жировых клеток. Бурый жир обнаружен у новорожденных и животных, впадающих в зимнюю спячку, и служит для теплообразования. t0↓ → норадреналин↑ → липаза↑ → свободные жирные кислоты↑ → β-окисление↑ → открытие протонного канала термогенина → Q↑

Сравнительная характеристика молекулярных моторов

Вращение бактериальных жгутиков под действием протон-движущей силы Вращательное движение жгутикам сообщает особая структура – «протонная турбина». Протоны из среды поступают через «турбину» в клетку, вызывая вращение стержня жгутика.

Митохондриально-направленная терапия нейродегенеративных заболеваний

Митохондриально-направленные антиоксиданты – новое поколение препаратов для лечения патологий, связанных с митохондриальной дисфункцией

Роль ЭТЦ митохондрий в развитии нейродегенеративных заболеваний – болезни Паркинсона (PD), бокового амиотрофического склероза (ALS), болезни Гентингтона (HD), болезни Альцгеймера (AD)