Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Дополнительные вопросы смл %под %. В., %!!зоп 1. Н., Веп!ож й. М., Нооз) 1.. Е., В!ос)зеш!зггу: а ргоЫеш арргоас)з (Веп)аппп, 1974), гл. 10. ГЛАВА 14 Окислительное фосфорилирование Электронная микрофотография митохондрии. (Печатается с любезного разрешения д-ра Оеогяе Ра)аде.) Рис. 14.1.
процесс генерирования АТР, в котором роль конечного акцептора электронов выполняет неорганическое соединение (такое, как О, ). Донором электронов мо- жет служить как органическое, так и неорганическое соединение. 14. Окнслнтельное фосфорнлнрованне 71 АРАОН и РАРНз, образовавшиеся при гликолизе, окислении жирных кислот и в цикле трикарбоновых кислот, представляют собою богатые энергией молекулы, поскольку каждая из них содержит пару электронов с высоким потенциалом переноса. При переносе этих электронов на молекулярный кислород высвобождается большое количество энергии.
Высвободившаяся энергия может быть использована для генерирования АТР. Окислительное фосфорилирование — это процесс образования А ТР, сопряженного с транспортгсм электронов по цепи переносчиков от 1(АТЭН или РАОНд к Оз. У аэробных организмов этот процесс служит главным источником АТР. Так, окислительное фосфорилирование обеспечивает генерирование 32 молекул АТР из Зб, образующихся в процессе полного окисления глюДыхание— козы до СОз и Н О.
Наиболее характерные черты этого процесса сводятся к следующему. 1. Окислительное фосфорилированне осуществляется дыхательными ансамблями, локализованными во внутренней мембране митохондрий. Цикл трикарбоновых кислот и путь окисления жирных кислот, поставляющие большую часть ХА(ЗН и РА(ЗНз, осуществляются в прилежащем митохондриальном матриксе. 2. Окисление АРАОН дает 3 АТР, тогда как окисление РАОНз дает 2 АТР. Окисление и фосфорилирование — процессы сопряженные. 3. Дыхательные ансамбли включают в себя многочисленные переносчики электронов, в частности цитохромы.
Многоступенчатый транспорт электронов от (чА(ЗН или РА(ЗНз к Оз по цепи этих переносчиков приводит к выбросу протонов из митохондриального матрикса и генерированию мембранного потенциала (протонодвижущей силы). Протоны перекачиваются тремя видами электронпереносяших комплексов. В процессе обратного тока протонов в митохондриальный матрикс при посредстве оотранотво на Рис. 142. 72 Схематическое изображение митохондрий. (%о1(е Вгерйеп 1., В!о!ояу о1 гйе Се!1, %аь)в- ьвоггЬ РпЬ))вЬ!пй Согпрапу, 1972.) ферментного комплекса происходит синтез АТР.
Таким образом, сопрюкение окисления и фосфорилирования обеспечивается протонным градиентом через внутреннюю .иитохондриальную мембрану. 14.1. Онислительное фосфора лирование происходит в митохондриях Митохондрии представляют собою органеллы овальной формы длиной обычно около 2 мкм и диаметром 0,5 мкм. Метод выделения митохондрий был разработан в конце 40-х годов.
Юджин Кеннеди и Элберт Ленинджер (Еийепе Кеппебу, А1Ьегг ЕеЬп1пяег) открыли тогда присутствие в митохондриях дыхательных ансамблей, фер.ментов цикла трикарбоновых кислот и ферментов окисления жирных кислот. Электронно-микроскопические исследования выполненные Георгом Паладом и Фритьофом Сьестрандом (Сгеогяс Ра!аде, Ег!1)оГ Яовггапб), показали, что митохондрии имеют две мембранные системы: наружную .мембрану и имеющую большую поверхность внутреннюю ме,ибрану. Последняя образует многочисленные глубокие складки (гребневидиые выросты), называемые кристами.
Таким образом, в митохондриях имеются два компартмента: межмембранное пространство (между наружной и внутренней мембранами) и матрикс, ограниченный внутренней мембраной (рис. !4.2). Дыхательиые ансамбли составляют неотьемле- Часть Н. Генерирование и хранение энергии мую чисть внутренней мипюхондриальной мембраны, тогда как ббльшая часть реакций цикла трикарбоновых кислот и окисления жирных кислот протекает в матриксе. Наружная мембрана вполне проницаема для большинства мелких молекул и ионов. В противоположность этому внутренняя мембрана проницаема почти для всех ионов н для большинства незаряженных молекул. Существуют специальные белковые переносчики, транспортирующие через внутреннюю митохондриальную мембрану такие молекулы, как АТР и жирные кислоты с длинной цепью.
14.2. Онислительно-восстановительные потенциалы н изменения свободнои энергии При окислительном фосфорилировании потенциал переноса электронов, присущий )ч)А)УН или ЕАПНг, пРеобРазУетсЯ в потенциал переноса фосфатной группы, присущий АТР. Для этих форм свободной энергии надо найти количественное выражение. Измерение потенциала переноса фосфатной группы нам уже знакомо: оно выводится из Асго' для гидролиза фосфатного соединения.
Соответствующим выражением для потенциала переноса электронов является Ео, окислительно-восстановительный потенциал (называемый также редокс-позенциалом). Окислительно-восстановительный потенциал — это электрохимическая категория. Рассмотрим для примера вещество, которое может существовать в окисленной Х и в восстановленной форме Х, Такая пара называется окислителыю-восстановительной парой (рис. 14.3), Окислительно-восстановительный потенциал такой пары можно определить, измеряя электродвижущую силу, развиваемую опытной полукамерой по отношению к стандартной контрольной полу- камере.
Опытная полукамера представляет собою электрод, погруженный в раствор Раствор 1М Х н1М Х !М Н+ в равновесии с1агнгавооьрааного Н, Рис. 14З. Устройство для измерения стандартного окислительновосстановительного потенциала окислитсльно-восстановительной парь!. чем Н (как в вышеприведенном примере). Положительный окислительно-восстановительный потенциал свидетельствует о более высоком, чем у Н,, сролстве данного вещества к электронам. Эти соотношения относятся к стандартным условиям, когда концентрации окислителя, восстановителя и Н' равны 1 М и давление Нл составляет 1 атм.
Таким образом, сильный вогспшнавитель ( например, тч'А))Н) обладает атричательны,и акис щтельна-васгтановитес)ьны.и иатенлиалал), тогда как сильный окислитель (02 ) живет полалситвлы)ый акислительнависттанавительный патенпиал, Окислительно-восстановительные потенциалы многих биологически важных окислительно-восстановительных пар известны (табл. 14.1). Изменение свободной энергии окислительно-восстановительной реакции 1 М окисли)сля (Х) и 1 М восстановителя (Х ). Стандартная контрольная полукамера состоит из элек)рода, по!ружеино)о в ! М раствор Н', находящийси в равновесии с )азообразным Н при павлонии в ! атм. Электроды присоединяю! к волшмстру и агаровым мостиком обеспечивают электропроводность между полукамерами.
Происходит поток влек гранов ео одной полукамеры к другой. Если реакция идет в направлении Х -)- Н" Х + )тН2. то в полукамерах буду! происходить следуи)шие реакции: Х вЂ” Х 4- е Х+,— - ),Нл, Таким образом, элек)роны движутся от опытной полукамеры к контрольной и, следовательно, электрод в опытной полукамере заряжен отрицательно по отношению калек)роду стандартной полукамеры. Окислшпс.1ьнп-восгтинавителы)ый пагпеноиал кары Х:Х соатветапвгет )гапрялгссни)а в начале эксперимента (когда концентрации Х, Х и Н' равны 1 М). Окиглитсльни-вагспынавительпый потенииил пары Н ':Н определен равным () В (вальт).
Значение окислительно-восстановительного потенциала теперь очевидно. Отрицательный окислительно-восо)ановительный потенциал говорит о том, что данное вещество имеет меньшее сродство к электронам, '1'аблнла )4 ) Станларгпыс окисли1ельно-ввсствноннтельные но генвнелы неко г орых реашгнй н Окислитель 2 — 0,67 — 0,60 — 043 2 0.42 — 0.32 0,32 — 0.29 2 — 0,23 — оло 2 — 0,)9 2 0.03 0,07 о,ой 2 0)0 0,22 ) 0,77 2 Ок2 ' Е„' стан1аргпый оьислн1сльно-восс1,1нови1ельныи нотенниал )рН7 21 С"), и «отичсство грвнспортнр)смык тлектРонов Ес о1носигсв к частичной Реакпии Окислитель 4 е Восс1вновитель 14. Окислительное фоефорилнрование 73 х-Оксог тттарат Лпетат Ф .ррслокснн )окистенный) 2!) ЫАОЫАОР" Лнполт )окньлепный) Глугагион )окисленньпп мптвльлегил Пирувв ~ Фумараг Цнтохром ) ) 1) Дс1илроаскорбе1 Убихинпн )окистен) ыа) Ци1охром с )-1- 3) Ре ) + 3) )'2 О т 2Н' Воссгшшвигель и К,;, В С'тмпша1 ) Г'От Аиста 1ьлегил Фсрреъткыш )восстановленный) Нт ЬАОН 4 Н" ЫАОРН .г Н' у!нпоат )воссгв- НОВЛСНШ4Ы Глутвтнпн )аосстанов 1енный) Эг ШОЛ лвк1вт Суконках Цн1охрон Ь !-г 2) Аскорбвг Убнхинон )восста- ноВЛС1ШЫИ) Цнтохром ! Г 2) ь'с )ч 2) Н,!) капит в фпввопоотввнвх тгыячгитохровьс- ЙАВН вЂ” ь~ ь С Кцит Оолкктава — ь Цит.
с — ь ЦитохревьоОкоид ага г Последовательность переносчиков электронов в дыхательном ансамбле. Протоны выбрасываются тремя комплексами, которые на рисунке закрашены. Рис. 14.4. Лбе' = — лГЛЕО, Часть П. Генерирование и хранение энергнн 74 можно легко вычислить из разности окислительно-восстановительных потенциалов реагирующих соединений. Рассмотрим, например, восстановление пирувата за счет АРАОН; а) Пируват + )т(АРН -ь Н Лактат + ЖАР~, Окислительно-восстаиовительный потен- пиал для пары )т(АР~:)т)АРН равен — 0,32 В, для пары пируват:лактат — 0,19 В. Условимся окислительно-восста- новительные потенциалы, относящиеся к ча- стичным реакциям, записывать следующим образом: Окислитель + е — Восстановит ель.
Тогда б) Пируват + 2Н" + 2е — Лактат ЕО = — 019 В. в) НАР ч- Н' -ь 2е — МАРН ЕО = — 032 В Вычитая реакцию в) из реакции б), получаем желаемую реакцию а) и ЛЕО = + 0,13 В. Теперь можем рассчитать Лбьы лля восстановления пирувата за счет )т)АРН. Изменение стандартной свободной энергии Лбв' связано с изменением окислительновосстановительното потенциала ЛЕО урав- нением где л — число переносимых электронов, Г- число Фаралея (23,062 ккал В ' моль '), ЛЕО выражается в вольтах, Лбе'-в килокалориях на моль. Для восстановления пирувата и = 2, и тогда Лбв' = — 2 23,062 0,13 = — 6 икал/моль. Заметим, что лоложитиельное значение ЛЕ' указываем на экзергоиический характер реакции, протекающей в стандартных условиях. 14.3.
Величина окислнтельно- восстановнтельиого потенциала дыхательной цепи составляет 1,14 В, что соответствует 53 ккал Движущая сила окислительно фосфорили- рования-это потенциал переноса электро- нов, присущий )т(АРН или ГАРН,. Рассчи- таем ЛЕ' и Лб', связанные с окислением ХАРН под действием О,. Промежуточные частичные реакции следующие; а) 1/2Ог + 2Н' ь 2е — НгО Ео= -ь0,82В б) )т(АР" + Н" + 2е )т)АРН ЕО'= — 032 В. Вычитая реакцию б) из реакции а), получа- ем в) 1(2Ог + МАРН ь Н НгО + + ХАР' ЛЕО = + 1,14 В. Свободная энергия окисления для этой ре- акции составляет Лбе пГЛЕО = 2'23 062'1 14 = = — 52,6 ккал/моль. 14.4. Флавии, железо-сериые комплексы, хннон н гемовые группы переносят электроны от )т(АРН к Ог Электроны переносятся от ХАРИ к О через ряд переносчиков: флавины, железо- серные комплексы, хиноны и гемы (рис, 14.4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
