Преобразование энергии в клетке. Общие вопросы и электронный транспорт - Биология и естествознание реферат

Главная

Биология и естествознание
Преобразование энергии в клетке. Общие вопросы и электронный транспорт

Стандартные свободные энергии химических реакций, их вычисление. Измерение стандартного окислительно-восстановительного потенциала. Структура отдельной митохондодрии. Энергии ковалентных связей. Первый этап разложения глюкозы в клетках - гликолиз.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Преобразование энергии в клетке. Общие вопросы и электронный транспорт
Общая схема биоэнергетических процессов
Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света, за счет которой растения и фотосинтезирующие микроорганизмы синтезируют сложные органические вещества (жиры, белки, углеводы и др.). Животные используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями (Рис.1).
Рисунок 1 - Общая схема преобразования энергии в биосистемах. P i - неорганический фосфат, НРО 4 2- ; е * - возбужденный электрон
Свободная энергия биохимических реакций
Только часть внутренней энергии системы может использоваться для выполнения полезной работы. Она называется свободной энергией. Остальная энергия рассеивается в виде тепла. Для характеристики свободной энергии используется термодинамический потенциал Гиббса:
где H = U + PV - энтальпия, U - внутренняя энергия, P - давление, V - объем системы, T - температура, S - энтропия. Величина TS - диссипирующая часть внутренней энергии, необратимо рассеивающаяся в среде. Изменение G :
В биологических процессах, проходящих при постоянных температурах и давлениях с незначительным изменением объема (если не выделяются газы):
где F - свободная энергии Гельмгольца: F = U - TS .
Критерием вероятности самопроизвольного превращения в системе является изменение свободной энергии: система переходит в равновесное состояние с наименьшей свободной энергией, когда или .
Для растворенного вещества Х с концентрацией [ X ] величину Д G можно представить как сумму членов, зависящего и не зависящего от концентрации:
где R - универсальная газовая постоянная, а Д G o - стандартный термодинамический потенциал, характеризующий данное вещество. Он определяется в стандартных условиях: [ X ] = 1 моль/л; T = 25 o C. В состоянии равновесия, когда Д G = 0 :
Если взаимодействуют x молекул вещества X, то:
где a , b , c и d - стехиометрические коэффициенты или количества молекул каждого вида, участвующих в элементарной реакции. Константа равновесия К :
где [ A ], [ B ]… - равновесные концентрации. Стандартные свободные энергии химических реакций можно вычислить из табличных значений стандартных свободных энергий субстратов и продуктов реакции:
или определить аналитически, измерив равновесные концентрации и рассчитав К. Так как в равновесии: , то .
Окислительно-восстановительные потенциалы
Основная часть свободной энергии заключенной в органических молекулах, составляющих продукты питания, выделяется на заключительных этапах биологического окисления, когда электроны ступенчато переносятся на кислород по цепи из нескольких молекул-переносчиков электронов. Процессы переноса электронов называются окислительно-восстановительными. Молекула, отдавшая электрон оказывается в окисленном состоянии, а принявшая электрон - в восстановленном. Соответственно, процесс отдачи электрона называют окислением, а принятия - восстановлением данного вещества. Доноры электронов - восстановители, а акцепторы электронов - окислители, так как они восстанавливают или окисляют данное вещество. Они всегда функционируют как сопряженные окислительно-восстановительные или редокс-пары (от английского red uction - восстановление и ox idation - окисление). Так, в реакции:
Fe 2+ является донором электронов, т.е. восстановителем, а Fe 3+ - акцептором электронов, т.е. окислителем. Вместе они представляют собой редокс-пару.
Для характеристики окислительно-восстановительных реакций используют понятие стандартного окислительно-восстановительного потенциала , являющегося мерой электрон-движущей силы (э.д.с.). Его определяют в стандартных условиях (концентрации веществ 1 М, 25 о С, рН 7,0) относительно стандартного полуэлемента с известной э.д.с. В качестве такого стандарта берут водородный полуэлемент, в котором происходит реакция:
Для ее осуществления в воду опускают платиновую пластинку, омываемую потоком газообразного водорода Н 2 при 25 о С, давлении 1 атм и концентрации Н + , равной 1,0 М (это соответствует рН=0). Потенциал такого полуэлемента, называемого водородным электродом, принимают равным нулю. Он называется полуэлементом, т.к. эта реакция может быть сопряжена с другой окислительно-восстановительной реакцией, также образующей полуэлемент, в котором происходит другая окислительно-восстановительная реакция, например,
Если соединить проводником (солевым мостиком) водородный и исследуемый полуэлементы, то между ними пойдет ток электронов (рис.2), и в равновесии установится некоторая разность потенциалов . Она может быть положительной или отрицательной в зависимости от направления тока, т.е. в зависимости от сродства данного вещества к электронам по сравнению с Н 2 .
Например, сильный окислитель О 2 имеет положительный окислительно-восстановительный потенциал, а сильный восстановитель NADH - отрицательный. Зная величину , можно найти соответствующую величину стандартной свободной энергии по формуле:
где n - число переносимых электронов, а F =96500 Дж/(моль*В) - число Фарадея.
Рисунок 2 - Измерение стандартного окислительно-восстановительного потенциала
Аденозинтрифосфат (АТР) - адениновый рибонуклеотид с цепочкой из трех фосфатных групп (рис.3) - является универсальным аккумулятором энергии и элементарной «энергетической единицей» в клетках. Впервые ATP был выделен из мышечной ткани К. Леманом, С. Фиске и Й. Субарроу в 1929 году. В 1931 году В.А. Энгельгардт установил связь между клеточным дыханием, т. е. поглощением кислорода клетками, и фосфорилированием аденозиндифосфата (ADP) или, иначе говоря, синтезом ATP в результате присоединения к ADP еще одной фосфатной группы -РО 3 2- (неорганический фосфат, P i ). Этот процесс назван окислительным фосфорилированием. Ф. Липман предположил (1941), что ATP - главный и универсальный переносчик энергии в клетках.
Рисунок 3 - Аденозинтрифосфат (ATP)
При рН=7,0 ATP 4- и ADP 3- являются анионами с высокими отрицательными зарядами. Точнее, заряд ATP оценивается в -3,8 за счет небольшого положительного заряда азота в аденине: . В живых клетках только небольшая часть ATP и ADP присутствует в виде свободных анионов, а основная часть образует комплексы с магнием: Mg 2+ ATP 4- и Mg 2+ ADP 3- .
ATP относится к макроэргическим соединениям, содержащим «богатую энергией» связь между фосфатными группами (обычно обозначаемую: ~ ). Это, однако, не значит, что сама энергия очень большая. Связь между О и Р - это обычная ковалентная связь с энергией порядка 100 ккал/моль. Такая энергия может выделиться при полном разрыве связи и разнесении ADP 2- и РО 3 2- на бесконечное расстояние:
Полностью ее использовать невозможно. Смысл термина «макроэргическая связь» в том, что при переносе концевой фосфатной группы на какую-нибудь молекулу выделяется большая энергия, чем при переносе других групп. Обычно за стандартный акцептор принимают воду и говорят о свободной энергии гидролиза ATP:
ATP 4- + Н 2 О + Н + ADP 3- + Pi 2-
Аденозин -О-Р-О~Р-O~P-O - + HOH + H + > Аденозин -О-Р-О~Р- O - + HO-P-O -
В стандартных условиях, т. е. при 25С, рН = 7,0, избытке Mg 2+ и концентрациях исходных веществ и продуктов этих реакций 1 моль/л:
Так как в живых клетках концентрации ATP, ADP и фосфатов отличаются от стандартной (1,0 моль/л) и обычно равны нескольким ммоль/л, то:
Эта величина не является константой, а зависит от конкретных условий. Основной причиной сравнительно большой величины является электростатическое отталкивание отрицательных зарядов в молекуле ATP 4- . Благодаря ему молекула ATP 4- находится в напряженном состоянии. При гидролизе ATP 4- происходит разделение зарядов в связи Р-О и получаются продукты с большим суммарным отрицательным зарядом: ADP 3- и НРО 4 2- , что увеличивает электростатическое отталкивание между ними и препятствует их соединению в молекулу АТР. Другая причина состоит в том, что ADP 3- и НРО 4 2- являются гибридами нескольких резонансных состояний с разным расположением групп =О, -О - и -ОН. Резонансная форма с четырьмя равноценными атомами кислорода О д- более устойчива в свободном виде, чем в составе ATP, т. к. часть их электронов находится на более низких орбитах и обладает меньшей энергией. При гидролизе ATP 4- электроны могут переходить на более низкие уровни в ADP 3- и НРО 4 2- , чем в ATP 4- . И, наконец, ADP 2- быстро отдает ион водорода (протон) в среду и ионизируется. Образуется больше ионов ADP 3- , НРО 4 2- , и Н + , чем в случае АТР 4- . Эти ионы гидратируются, т.е. создают вокруг себя оболочку из молекул воды, которая энергетически выгодна и препятствует рекомбинации этих ионов (рис.4).
В водных растворах равновесие должно быть сдвинуто в сторону гидролиза ATP. В принципе, при термодинамическом равновесии концентрация ATP должна быть много меньше концентрации ADP:
Но хотя гидролиз ATP энергетически выгоден, он происходит очень медленно благодаря сравнительно высокому активационному барьеру. Поэтому обычное соотношение ATP : ADP в клетках примерно равно 10 : 1, и запасенная в молекуле ATP энергия может очень долго оставаться нереализованной.
Рисунок 4 - Механизмы выделения повышенной энергии при гидролизе макроэргической связи в молекуле ATP. 1. При гидролизе ATP происходит разделение зарядов, которое усиливает электростатическое отталкивание отрицательных зарядов. 2. Отщепляющийся неорганический фосфат (P i ) стабилизируется при образовании резонансных гибридов, в которых каждая связь Р-О имеет одинаковую степень двойной связи и ион водорода не связан постоянно с одним из кислородов. 3. Получающийся ADP 2- немедленно ионизируется и высвобождает протон в среду с очень низкой концентраций (10 -7 при pH = 7). 4. Более высокая степень гидратации продуктов гидролиза ADP, P i и H + по сравнению с ATP (не показано на рисунке) (По Nelson, Cox, 2005)
ATP используется там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу. Расщепление ATP и использование выделяющейся при этом энергии для совершения полезной механической, химической, осмотической или электрической работы совершается специальными ферментами ATPазами, которые «умеют работать с АТР», т.е. обладают специальными активными центрами, специфически связывающими и расщепляющими АТР.
ATP не обладает наибольшей стандартной энергией ДG o среди биохимических веществ. В клетках есть вещества с большей или меньшей стандартной энергией гидролиза фосфатных групп (таблица 1). ATP, в принципе, является посредником, переносчиком фосфатных групп от высокоэнергетических фосфорилированных соединений к низкоэнергетическим акцепторным молекулам с меньшей стандартной энергией. В клетках никогда не происходит прямого переноса фосфатных групп от какого-нибудь высокоэнергетического соединения к низкоэнергетическому. Практически все реакции переноса фосфатных групп протекают с участием системы ATP/ADP.
Таблица 1. Стандартные энергии гидролиза некоторых фосфатов
Энергии от одной реакции к другой в изотермических условиях может передаваться при помощи общего промежуточного продукта:
Если изменение в первой реакции , то она не может протекать самопроизвольно без притока энергии от внешнего источника. Таким источником может служить вторая реакция при условии, что общее изменение свободной энергии . Эту роль и играет реакция гидролиза ATP.
Иногда в качестве промежуточной энергетической единицы используется не ATP, а гуанозинтрифосфат (GTP). Например, при синтезе белка в рибосомах. Но GTP не образуется в клетках самостоятельно, а получается в результате переноса фосфатной группы от ATP на GDP.
В организме человека содержится в среднем около 50 г ATP. Но если за сутки средний человек весом 70 кг расходует 2800 ккал, то ему необходимо потреблять: 2800 ккал /12,5 ккал моль -1 = 224 моль или примерно 110 кг ATP. Следовательно, для обеспечения организма энергией эти 50 г ATP должны многократно расщепиться и вновь синтезироваться из ADP. За сутки организм человека синтезирует количество ATP, примерно равное массе его тела.
В катаболических процессах поступающие c пищей белки, жиры и углеводы расщепляются до аминокислот, жирных кислот или простых сахаров, которые затем деградируют до простейших молекул H 2 O, CO 2 и NH 3 , а заключенная в них энергия запасается в молекулах ATP (рис.1). Так, полимеры глюкозы крахмал и гликоген (рис.5), сначала разлагаются до мономеров, а затем в процессе окисления глюкоза расщепляется на СО 2 и Н 2 О.
Рисунок 5 - Глюкоза может существовать в линейной (А) или кольцевой форме (Б или В). Структура В («кресло») реальней отображает пространственную конформацию глюкозы, чем структура Б. Такая конформация называется. Г. Гликоген и крахмал - полимеры из глюкозы. Крахмал из растительных клеток имеет линейную структуру, а гликоген из клеток животных - разветвленную
Высокоупорядоченная шестиуглеродная молекула глюкозы обладает большей свободной энергией, заключенной преимущественно в ковалентных связях С-С и С-О, чем простые продукты ее окисления - вода и углекислый газ. Значительный вклад в нее вносит энтропийный член. При окислении глюкозы
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2  > 6СО 2 + 6Н 2 О.
выделяется энергия 686 ккал/моль. Если суммировать энергии всех ковалентных связей (Таблица 2) в кольцевой молекуле глюкозы (Рис. 5,Б) и 6 молекулах О 2 :
5 связей С-С : 5 * 83 ккал/моль = 415 ккал/моль;
7 связей С-Н : 7 * 99 ккал/моль = 693 ккал/моль;
7 связей С-О : 7 * 84 ккал/моль = 588 ккал/моль;
5 связей О-Н : 5 * 112 ккал/моль = 560 ккал/моль;
6 связей О-О : 6 * 116 ккал/моль = 696 ккал/моль,
то получим 2952 ккал/моль. А в 12 связях С=О шести молекул СО 2 и в 12 связях О-Н шести молекул Н 2 О, получающихся при окислении глюкозы, содержится (12*170) + (12*112) = 3384 ккал/мол. Т.е. энергетический выигрыш этой реакции 432 ккал/моль. Но в ней выделяется 686 ккал/моль. Вероятно, разница 686 - 432 = 254 ккал/моль приходится на счет энтропийной компоненты, связанной с потерей упорядоченности высокоорганизованной молекулы глюкозы.
Таблица 2. Энергии ковалентных связей (по Nelson, Cox, 2005)
Горение глюкозы описывается тем же уравнением, но при горении вся выделяющаяся энергия сразу рассеивается в виде тепла, а в клетке разложение глюкозы идет ступенчато через ряд промежуточных стадий, на которых можно не только извлечь свободную энергию, но и запасти ее в молекулах ATP.
Первый этап разложения глюкозы в клетках - гликолиз. Это сложный комплекс из 10 реакций, в которых из глюкозы образуется пировиноградная кислота (пируват). Место этого процесса в схеме биоэнергетических реакций в клетках приведено на Рис.6. Гликолиз - универсальный путь расщепления глюкозы, использующийся клетками животных, растений и многих микроорганизмов.
С 6 Н 12 О 6 + 2ADP + 2P i 2С 3 Н 6 О 3 + 2ATP + 2Н 2 О + 47 ккал/моль.
В процессе гликолиза из глюкозы извлекается небольшая часть энергии, т.к. трикарбоновая молекула пирувата ненамного проще, чем шестиуглеродная молекула глюкозы: только 47 ккал/моль, из которых 14,6 ккал/моль запасается в двух молекулах ATP. Это как бы «половинка глюкозы». Хотя гликолиз менее эффективен, чем аэробные биоэнергетические процессы, приводящие к полному окислению глюкозы, в которых выделяется 686 ккал/моль (см. ниже), в условиях недостатка кислорода он может служить основным источником энергии в клетке, правда, недолгое время. Дело в том, что в цитоплазме много гликолитических систем, и они могут быстро мобилизоваться; тогда гликолиз становится основным источником энергии. Другой вариант анаэробного гликолиза - спиртовое брожение в клетках дрожжей и других микроорганизмов.
Рисунок 6 - Аэробный и анаэробный гликолиз
В присутствии кислорода, т.е. в аэробных условиях, происходит полное окисление глюкозы с разрывом остальных межуглеродных связей в углеродном каркасе глюкозы, образованием простейших соединений СО 2 и Н 2 О и выделением основного количества энергии. На первом этапе (Рис.6) пируват, получающийся в процессе аэробного гликолиза, взаимодействует с молекулой кофермента А (CоА), образуя ацетилкофермент А (Ac-CoA) (Рис.7). При этом к молекуле СоА добавляется ацетильная группа СН 3 СО- с двумя атомами углерода и выделяется молекула СО 2 . Образование Ас-СоА - исключительно сложная задача, выполняемая пируватдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех ферментов Е 1 , Е 2 и Е 3 объединенным в огромный мультиферментный комплекс массой 6 МДа и размером 45 нм (больше рибосомы!). Он содержит 60 молекул Е 2 и по 20-30 молекул Е 1 и Е 3 . В этом комплексе пируват подвергается 5 последовательным реакциям, пока не образуется Ас-СоА.
Другие органические молекулы претерпевают химические превращения, в ходе которых также образуется Ас-СоА. Так, жиры сначала разлагаются на глицерин и жирнокислотные цепочки, от которых в процессе в-окисления отщепляются двухуглеродные фрагменты и присоединяются к СоА с образованием Ас-СоА. Белки распадаются до отдельных аминокислот, и почти все из них могут метаболизироваться с образованием Ас-СоА. Таким образом, Ас-СоА - универсальное промежуточное звено, связывающее разложение различных компонентов пищи с неким универсальным процессом, на котором сходятся все метаболические пути и в ходе которого выделяется и запасается основное количество энергии. Этот процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом лимонной кислоты, или циклом Кребса (рис.8). В нем осуществляется дальнейшее разложение углеродного скелета, и выделяется 2 молекулы СО 2 .
Для этого Ac-CoA поступает в циклический процесс из 8 реакций. Он присоединяет двухуглеродную ацетильную группу к трехуглеродной щавелевоуксусной кислоте (оксалоацетату). При этом получается пятиуглеродная лимонная кислота (цитрат). Затем от субстратов изоцитрата и б-кетоглутарата отщепляется по молекуле углекислого газа СО 2 , выделяющегося в ходе дыхания, а ферменты изоцитрат-, -кетоглутарат-, сукцинат- и малатдегидрогеназы отщепляют по два атома водорода от изоцитрата, -кетоглутарата, сукцината и малата, соответственно, с помощью своих коферментов NADH или FADH 2 (Рис.8) Подробнее эти процессы описаны в учебниках по биохимии. . Этот циклический процесс происходит в митохондриальном матриксе. Потом высокоэнергетические электроны из этих атомов водорода переносятся по цепи электронного транспорта на кислород с образованием воды, а выделившаяся по пути энергия используется для создания протонного градиента на внутренней митохондриальной мембране, за счет которого синтезируется АТР (рис.9)
Рисунок 9 - Связь цикла Кребса, электронного транспорта и синтеза ATP (По Berg et al., 2002)
Митохондрии - внутриклеточные органеллы, в которых происходят основные биоэнергетические процессы. Они содержатся в цитоплазме всех клеток высших организмов - эукариот. На электронно-микроскопических фотографиях митохондрии имеют круглую, овальную или вытянутую форму. Их типичный диаметр порядка 0,2 мкм и длина до 3 мкм. В клетках от десятков до тысяч митохондрий. С помощью трехмерной реконструкции электронно-микроскопических изображений показано, что во многих клетках есть митохондрион - одна гигантская, разветвленная как куст, митохондрия, охватывающая ядро (Рис.10). Круглые и овальные структуры, видимые на электронно-микроскопических фотографиях, могут представлять собой поперечные срезы ветвей митохондриона. На периферии клетки есть также и отдельные независимые митохондрии.
Рисунок 10 - Строение митохондрии. А. Структура отдельной митохондодрии. Б. Митохондрион дрожжевой клетки (Компьютерная 3D реконструкция)
энергия клетка окислительный митохондодрия гликолиз
Митохондрии обычно располагаются около структур, потребляющих ATP, или около источников "топлива". Они часто локализуются вокруг ядра или плазматической мембраны, поставляя им ATP. При физиологических или патологических процессах митохондрии могут перемещаться в места наиболее напряженной работы. При изменении функционального состояния клетки или повреждении митохондрион может разбираться или собираться.
Особенностью строения митохондрий является наличие двух мембран: наружной и внутренней. Последняя образует многочисленные впячивания - кристы, благодаря которым значительно увеличивается поверхность внутренней мембраны, на которой расположены основные биоэнергетические ферменты. Вследствие этого, в митохондриях есть два изолированных внутренних компартмента - межмембранное пространство и матрикс. В наружной митохондриальной мембране (НММ) белок порин образует гидрофильные поры, проницаемые для молекул с молекулярным весом до 5 кДа, которые проникают в межмембранное пространство, но не в матрикс.
Внутренняя мембрана митохондрий (ВММ) на 75 % состоит из белков и на 25 % - из липидов. В нее встроены компоненты цепи электронного транспорта (более 10000 наборов) и молекулы Н + -ATP-синтетазы. ВММ непроницаема даже для таких малых ионов, как протоны Н + . Особое значение имеют участки контакта наружной и внутренней мембран, где расположены белки ATP/ADP-транслоказы, транспортирующие ADP в матрикс митохондрий, а получившийся ATP - во внешнюю среду, и белки-переносчики различных ионов и метаболитов (органических кислот, жирных кислот, аминокислот и т.д.).
В митохондриях печени 67 % всех белков находится в матриксе, 21 % - в НММ, 6 % - в ВММ и 6 % - в межмембранном пространстве. В матриксе находятся ферменты цикла Кребса, пируватдегидрогеназный комплекс, ферменты окисления жирных кислот и окисления аминокислот и другие. В матриксе также содержится множество низкомолекулярных веществ - органических кислот, жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов, ионов и т.д.
У митохондрий, в отличие от других органелл, имеется своя ДНК (мтДНК). В мтДНК человека содержится 37 генов, включая 13 генов, кодирующих субъединицы некоторых белков цепи электронного транспорта и ATP-синтетазы. Остальные гены кодируют рибосомные и транспортные РНК, участвующие в синтезе белка в митохондриальном матриксе. Гены около 900 митохондриальных белков или их субъединиц расположены в ядерной ДНК. Эти белки синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Пока не ясно, как координируется цитоплазматический и митохондриальный биосинтез белков. Ведь белки, у которых одна субъединица синтезируется в ядре, а другая в митохондрии должны производиться в эквивалентных количествах, для чего нужен обмен информацией между этими компартментами.
Электроны атомов водорода, отобранных от субстратов цикла Кребса, поступают в цепь переноса электронов, называемую также цепью электронного транспорта (ЦЭТ), или респираторной, или дыхательной цепью, а ионы водорода Н +  переходят в водную среду. ЦЭТ состоит из нескольких молекул разной природы, способных легко восстанавливаться (принимать электроны) и окисляться (отдавать электроны). По этой цепи электроны переносятся ступенчато, от одного переносчика к другому и небольшими порциями отдают свою энергию, пока не поступят на конечный акцептор - кислород (Рис.9, 11). Присоединению электронов к кислороду, осуществляемому цитохромоксидазой, или комплексом цитохромов ( а+а 3 ), сопутствует поглощение 4 протонов Н + . В результате образуется молекула воды:
Смесь газообразных водорода и кислорода, называемая гремучим газом, легко взрывается с образованием воды. При этом за очень короткое время в виде тепла, света и звука выделяется значительная энергия, которую напрямую нельзя запасти. А в дыхательной цепи эта энергия высвобождается небольшими порциями на каждом этапе переноса электронов. Это позволяет провести реакцию в мягких условиях при 37  о  С и 1 атм и запасти значительную часть выделившейся энергии в виде протонного градиента на внутренней митохондриальной мембране. За счет энергии этого градиента и синтезируются ATP. За один оборот цикла Кребса в цепь электронного транспорта подается 8 электронов, за счет энергии которых через митохондриальную мембрану переносится примерно 36 протонов Н + . Энергия, запасенная в протонном градиенте, может использоваться для синтеза 9 молекул АТР.
При переносе электронов осуществляются окислительно-восстановительные реакции, в которых молекулы-переносчики электронов последовательно окисляются или восстанавливаются (отдают или присоединяют электроны, соответственно). В молекулах переносчиков электроны локализуются на системе р-уровней органических молекул с сопряженными связями (пиридиннуклеотидов, флавинов, хинонов) или на атомах металлов с переменной валентностью, таких как железо (Fe 2+ - Fe 3+ ) или медь (Cu + - Cu 2+ ). В ходе переноса от субстратов цикла Кребса на кислород (Рис.11) электроны постепенно переходят на все более низкие энергетические уровни. В этом процессе выделяется и запасается основная доля энергии питательных веществ. Перенос электронов осуществляется в ЦЭТ тремя способами: ( а ) прямым переносом, как в реакции: Fe 3+ + e - > Fe 2 + ; (б) переносом атома водорода (т.е. одновременным переносом H + и e - ) и (в) переносом гидрид-иона : H - , т.е. протона, окруженного одновременно двумя электронами. Для характеристики окислительно-восстановительных процессов используется термин «восстановительный эквивалент», обозначающий перенос электрона независимо от способа переноса.
В трех пунктах цикла Кребса ферменты малатдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа и -кетоглутаратдегидрогеназа отбирают по два атома Н от субстратов малата, изоцитрата и -кетоглутарата и переносят один из них на свой кофермент никотинамидадениндинуклеотид (NAD + ) в виде гидрид-иона : H - (Рис.12А). Второй атом водорода в виде протона H + уходит при этом в воду:
R-CH 2 -OH + NAD + > NADH + R-C=O + H + (в воду)
Далее фермент NADH-дегидрогеназа с коферментом FMN (флавинаденинмононуклеотид) отнимает два восстановительных эквивалента в виде гидрид-иона : H - у NADH:
Рисунок 11 - Цепь электронного транспорта. А. Последовательность переносчиков электронов в ЦЭТ. Б. Диаграмма, схематично отображающая энергию, выделяющуюся на разных ступенях ЦЭТ
Затем водород переносится на кофермент Q (CoQ):
От молекул CoQ электроны переносятся по одному на цепочку белков цитохромов и далее на кислород, который при этом соединяется с ионами H + с образованием молекулы воды. При прохождении пары электронов по этому пути выделяется наибольшее количество энергии (Рис.11). Действительно, по данным об окислительно-восстановительных потенциалах на разных этапах переноса электронов, приведенным в таблице 3, можно вычислить значения соответствующих стандартных изменений свободной энергии: . Разность энергий при переносе пары электронов между конечным звеном ЦЭТ (Ѕ O 2 + 2H + + 2 e - > H 2 O) и начальным звеном (NAD + + H + + e - > NADH) составляет:= -37,6 - 2 • 7,36 = - 52,3 ккал/моль.
Дыхательный коэффициент - отношение потребленного фосфата к потребленному кислороду Р:О оценивается как 3:1, т.е. восстановление атома кислорода двумя переносимыми по цепи электронами позволяет присоединить 3 молекулы неорганического фосфата к 3 молекулам ADP, что дает 3 молекулы ATP. Для этого в стандартных условиях требуется 3•(-7,3 ккал/моль) = -21,9 ккал/моль, т.е. к.п.д. этого процесса составляет примерно 42%.
От другого компонента цикла Кребса, сукцината, фермент сукцинатдегидрогеназа с коферментом флавинадениндинуклеотидом (FAD) также отбирает два атома водорода (Рис.8,11) и присоединяет их к CoQ, перенося при этом два восстановительных эквивалента. В этом случае при прохождении более короткого участка ЦЭТ синтезируются только 2 молекулы ATP. Но этот путь не менее, а более энергоемкий, т.к. сукцинатдегидрогеназа отличается большей производительностью.
Таблица 3. Редокс-реакции (полуреакция) компонентов цепи электронного транспорта митохондрий
Редокс-реакции (полуреакция) компонентов цепи электронного транспорта митохондрий
NADH дегидрогеназа (FMN) + 2H + + 2 e - >
Цитохром b (Fe 3+ ) + e - > Цитохром b (Fe 2+ )
Цитохром с (Fe 3+ ) + e - > Цитохром с (Fe 2+ )
Цитохром с 1 (Fe 3+ ) + e - > Цитохром с 1 (Fe 2+ )
Цитохром a (Fe 3+ ) + e - > Цитохром a (Fe 2+ )
Цитохром a 3 (Fe 3+ ) + e - > Цитохром a 3 (Fe 2+ )
Определение стандартных редокс-потенциалов митохондриальных переносчиков электронов (Таблица 3) позволило установить их порядок в ЦЭТ (Рис.11). Напомним, что электроны всегда переходят от переносчиков с отрицательным редокс-потенциалом к переносчикам с более положительным потенциалом. Рассмотрим подробнее молекулы переносчиков электронов.
Никотинамидадениндинуклеотид - кофермент многих дегидрогеназ. Его окисленная форма - NAD +  , восстановленная - NADH (Рис.12,а). В качестве кофермента иногда используется NADP + /NADPH, где фосфорилирован второй атом углерода у рибозы (Рис.12,а). NAD-зависимые дегидрогеназы участвуют во многих окислительно-восстановительных процессах. Они играют коллекторную роль, собирая восстановительные эквиваленты от компонентов цикла Кребса изоцитрата, б-кетоглутарата, малата и других субстратов и передают электроны в ЦЭТ. При этом у субстратов отбираются два атома водорода. Один в виде иона Н + переходит в среду, а другой в виде гидрид-иона : Н - переносится на NAD + вместе с двумя восстановительными эквивалентами.
Рисунок 12 - Никотинамидадениндинуклеотид (а) Строение NAD + и его восстановление в NADH (б). Спектры поглощения света и флуоресценции NAD + и NADH
Процессы переноса электронов с участием NAD удобно изучать спектральными методами. Как и любой нуклеотид, NAD поглощает УФ свет с максимумом при 260 нм. В окисленном состоянии (NAD + ) он не имеет других полос поглощения и не флуоресцирует, а в восстановленном состоянии (NADH) появляется широкая дополнительная полоса поглощения в области 300-380 нм с максимумом при 340 нм и флуоресценция с максимумом при 470 нм (Рис.12,б). По этим спектральным полосам можно судить о редокс-состоянии NAD.
Флавиновые нуклеотиды - флавинаденинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD) (Рис.13,а) - являются коферментами таких дегидрогеназ, как NADH-дегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа, соответственно. Они забирают восстановительные эквиваленты у NADH и переносят электроны на кофермент Q (в этом переносе участвуют железо-серные цент
Преобразование энергии в клетке. Общие вопросы и электронный транспорт реферат. Биология и естествознание.
Реферат по теме Повышение нефтеотдачи методом воздействия импульсами электрического тока на продуктивный пласт
Контрольная Работа На Тему Диагностика, Лечение И Профилактика Гипоксии Плода У Коров
Олимпийские Игры Реферат
Реферат по теме Социальные идеи Корана и их эволюция
Реферат На Тему Лексическое Значение Народов
Реферат: Разработка процесса изготовления печатной платы
Дипломная работа по теме Практическое применение арт-терапии со старшими дошкольниками
Методическое указание по теме Проектирование предприятий
Сочинение На Тему Недоросль Небольшое
Курсовая работа по теме Соборное уложение 1649 года: общая характеристика, уголовное право и процесс
Реферат: Aaron Burr Essay Research Paper I IntroductionThe
Отчет По Практике На Тему Економічна Ефективність Виробництва
Сочинение Егэ По Тексту Ильина
Спортивная Форма Реферат
Курсовая Работа На Тему Государство И Личность
Практическое задание по теме Маркетинговая программа фирмы "Теплон"
Реферат по теме Цветовой тест Люшера
Доклад по теме Категория "имущество" в гражданском праве
Курсовая работа: Некоммерческие организации. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат Эндокринной Система
Заболевания, обусловленные поражением поясничного отдела головного мозга - Биология и естествознание контрольная работа
Мышцы туловища - Биология и естествознание презентация
Влияние рекреационных нарушений лесных сообществ на территориальное поведение мышевидных грызунов - Биология и естествознание дипломная работа