Lant respirator: enzime funcționale

Toate reacțiile biochimice din celulele oricărui organism continuă cu consumul de energie. Lanțul respirator este o secvență de structuri specifice care se află pe membrana interioară a mitocondriilor și servesc la formarea ATP. Adenozin trifosfatul este o sursă universală de energie și se poate acumula în sine de la 80 la 120 kJ.

Lanțul respirator al electronilor - ce este?

Electronii și protonii joacă un rol important în formarea energiei. Ele creează o diferență potențială pe laturile opuse ale membranei mitocondriale, care generează o mișcare direcționată a particulelor - curent. Lanțul respirator (cunoscut și sub denumirea de ETC, lanțul de transfer de electroni) mediază transferul de particule încărcate pozitiv în spațiul intermermic și particule încărcate negativ în grosimea membranei interioare a mitocondriilor.

Principalul rol în formarea energiei aparține sintazei ATP. Acest complex complex modifică energia mișcării direcționate a protonilor în energia legăturilor biochimice. Apropo, un complex aproape identic se găsește în cloroplastele plantelor.

Complexe și enzime ale lanțului respirator

Transferul electronilor este însoțit de reacții biochimice în prezența unui aparat enzimatic. acestea substanțe biologic active, numeroase exemplare ale cărora formează structuri complexe mari, servesc ca intermediari în transferul de electroni.

Complexele de lanț respirator sunt componentele centrale ale transportului particulelor încărcate. În total, există 4 astfel de formațiuni în membrana interioară a mitocondriilor, precum și sintaza ATP. Toate aceste structuri sunt unite printr-un scop comun - transferul de electroni prin ETC, transferul de protoni de hidrogen în spațiul intermembranar și, ca o consecință, sinteza ATP.

Complexul este un grup de molecule de proteine, printre care se numără enzimele, proteinele structurale și de semnalizare. Fiecare dintre cele patru complexe își îndeplinește propria funcție, numai propria sa funcție. Să vedem pentru ce sarcini în ETC există aceste structuri.

Am complex

În transferul de electroni în grosimea membranei mitocondriale, lanțul respirator joacă un rol major. Reacțiile de detașare a protonilor de hidrogen și a electronilor lor însoțitori sunt una dintre reacțiile centrale ale ETC. Primul complex al lanțului de transport preia moleculele NAD * H + (la animale) sau NADP * H + (în plante), urmată de desprinderea a patru protoni de hidrogen. De fapt, din cauza acestei reacții biochimice, complexul I este denumit și NADH dehidrogenază (numită enzima centrală).

Compoziția complexului de dehidrogenază include proteine ​​cu deficit de fier de 3 specii, precum și mononucleotidele flavinice (FMN).

II complex

Activitatea acestui complex nu este asociată cu transferul de protoni de hidrogen în spațiul inter-membranar. Principala funcție a acestei structuri este de a furniza electroni suplimentari lanțului de transport al electronilor prin oxidarea succinatului. Enzima centrală a complexului este oxidoreductaza succinat-ubichinonă, care catalizează eliminarea electronilor din acidul succinic și transferul în ubiquinonă lipofilă.

Furnizorul de protoni de hidrogen și electron la cel de-al doilea complex este, de asemenea, FAD * H₂. Cu toate acestea, eficacitatea dinucleotidului de adenină flavinică este mai mică decât cea a analogilor săi - NAD * H sau NADP * H.

Compoziția complexului II include trei tipuri de proteine ​​de fier-sulf și o enzimă centrală succinat-oxidoreductază.

III complex

Următoarea componentă, ETC, constă în citocromi b₅₅₆,b₅₆₀ și c₁, precum și riscul de proteine ​​cu deficit de fier. Lucrarea celui de-al treilea complex este asociată cu transferul a doi protoni de hidrogen în spațiul intermetalmic și a electronilor din ubiquinona lipofilă pe citocromul C.

O caracteristică a proteinei Riske este că se dizolvă în grăsimi. Alte proteine ​​din acest grup care au fost găsite în complexele de lanț respirator sunt solubile în apă. Această caracteristică afectează poziția moleculelor de proteine ​​în grosimea membranei interioare a mitocondriilor.

Al treilea complex funcționează ca ubiquinone-citocrom c-oxidoreductază.

IV complex

Este, de asemenea, un complex citocrom-oxidant, este punctul final în ETC. Lucrarea sa este de a transfera electronul de la citocrom-c la atomii de oxigen. Ulterior, atomii de O încărcați negativ vor reacționa cu protonii de hidrogen pentru a forma apă. Principala enzimă este citocromul c-oxigen-oxidoreductază.

Al patrulea complex include citocromii a, a₃ și doi atomi de cupru. Rolul central în transferul unui electron la oxigen a fost obținut prin citocromul a₃. Interacțiunea acestor structuri este suprimată de cianura de azot și de monoxidul de carbon, care, într-un sens global, duce la încetarea sintezei ATP și a morții.

ubichinonă

Ubiquinona este o substanță asemănătoare vitaminei, un compus lipofil care se mișcă liber în grosimea membranei. Lanțul respirator al mitocondriilor nu poate face fără această structură, deoarece este responsabil pentru transportul electronilor din complexele I și II la complexul III.

Ubiquinona este un derivat de benzochinonă. Această structură pe scheme poate fi indicată prin litera Q sau LU abreviată (ubichinonă lipofilă). Oxidarea moleculei duce la formarea a șapte chinone - un oxidant puternic, care este potențial periculos pentru celulă.

Sinteza ATP

Principalul rol în formarea energiei aparține sintazei ATP. Această structură asemănătoare ciupercii folosește energia mișcării direcționate a particulelor (protoni) pentru ao transforma în energia legăturilor chimice.

Principalul proces care apare pe tot parcursul ETC - aceasta este oxidarea. Lanțul respirator este responsabil pentru transferul de electroni în grosimea membranei mitocondriale și acumularea lor în matrice. Simultan, protonii de hidrogen din complexul I, III și IV în spațiul intermetanic. Diferența de sarcină pe laturile membranei conduce la o mișcare direcționată a protonilor prin sinteza ATP. Astfel, H + intră în matrice, întâlnesc electroni (care sunt asociați cu oxigenul) și formează o substanță neutră pentru celula - apa.

ATP sintaza constă din F0și subunități F1, care împreună formează un router al moleculelor. F1 constă din trei subunități alfa și trei beta, care formează împreună un canal. Acest canal are exact același diametru ca protonii de hidrogen. Când particulele încărcate pozitiv trec prin sintaza ATP, capul F₀ Moleculă se rotește 360 ​​de grade în jurul axei sale. În acest timp, reziduurile de fosfor sunt adăugate la AMP sau ADP (mono- și difosfat de adenozină) cu ajutorul legăturile macroergice, în care este închisă o cantitate mare de energie.

Sintezele ATP se găsesc în organism nu numai în mitocondrii. În plante, aceste complexe sunt, de asemenea, localizate pe membrana vacuolelor (tonoplast), precum și pe tilacoidele cloroplastice.

Tot în celulele animalelor și plantelor există ATP-ase. Ele au o structură similară cu cea din sintazele ATP, dar acțiunea lor este îndreptată spre scindarea reziduurilor de fosfor cu consumul de energie.

Sensul biologic al lanțului respirator

În primul rând, produsul final al reacțiilor ETC este așa-numita apă metabolică (300-400 ml pe zi). În al doilea rând, apare sinteza ATP și energia este stocată în legăturile biochimice ale acestei molecule. Într-o zi se sintetizează 40-60 kg de adenozin trifosfat și se utilizează aceeași cantitate în reacțiile enzimatice ale celulei. Durata de viață a unei molecule de ATP este de 1 minut, astfel încât lanțul respirator ar trebui să funcționeze fără probleme, în mod clar și fără erori. În caz contrar, celula va muri.

Mitochondria sunt considerate a fi centralele electrice ale oricărei celule. Numărul lor depinde de costurile de energie necesare pentru anumite funcții. De exemplu, în neuroni, pot fi numărați până la 1000 mitocondri, care adesea formează un cluster în așa-numita placă sinaptică.

Diferențe în lanțul respirator la plante și animale

În plante, "stația de energie" suplimentară a celulei este cloroplastul. Sintezele de ATP au fost de asemenea găsite pe membrana interioară a acestor organele, și acesta este un avantaj față de celulele animale.

De asemenea, plantele pot supraviețui în condiții de concentrație ridicată de monoxid de carbon, azot și cianuri datorită unei căi rezistente la cianură în ETC. Astfel, lanțul respirator se termină cu ubiquinonă, electronii din care sunt imediat transferați la atomii de oxigen. Ca rezultat, se sintetizează mai puțin ATP, dar planta poate supraviețui condițiilor adverse. Animalele în astfel de cazuri cu expunere prelungită mor.

Este posibil să se compare eficiența NAD, FAD și calea stabilă cu cianuri prin indicele de producție ATP pentru transferul unui electron.

• cu NAD sau NADP au format 3 molecule de ATP;
• cu FAD se formează două molecule de ATP;
• O moleculă de ATP este formată de-a lungul căii stabile de cianură.

Valoarea evolutivă a ETC

Pentru toate organismele eucariote, una dintre principalele surse de energie este lanțul respirator. Biochimia sintezei ATP într-o celulă este împărțită în două tipuri: fosforilarea substratului și fosforilarea oxidativă. ETC este utilizat în sinteza energiei de tipul al doilea, adică datorită reacțiilor de reducere a oxidării.

În organismele procariote, ATP se formează numai în procesul de fosforilare a substratului în stadiul de glicoliză. Zaharurile cu șase atomi de carbon (în principal glucoza) sunt implicate într-un ciclu de reacții, iar la ieșire celula primește 2 molecule de ATP. Acest tip de sinteză a energiei este considerat a fi cel mai primitiv, deoarece în procesul eucariot se formează 36 molecule ATP în procesul de fosforilare oxidativă.

Cu toate acestea, aceasta nu înseamnă că plantele și animalele moderne au pierdut capacitatea de a substrat fosforilarea. Pur și simplu acest tip de sinteză ATP a devenit doar una din cele trei etape de obținere a energiei în celulă.

Glicoliza în eucariote are loc în citoplasma celulei. Există toate enzimele necesare care se pot descompune până la două molecule de glucoză acid piruvic cu formarea a 2 molecule de ATP. Toate etapele ulterioare trec în matricea mitocondrială. Ciclul Krebs, sau ciclul de acizi tricarboxilici, are loc și în mitocondrii. Acesta este un lanț închis de reacții, în urma căruia s-au sintetizat NAD * H și FAD * H2. Aceste molecule se vor transforma într-un material consumabil în ETC.