Lanac dišnog sustava: funkcionalni enzimi

Sve biokemijske reakcije u stanicama bilo kojeg organizma nastavljaju s potrošnjom energije. Dišni lanac je niz specifičnih struktura koje se nalaze na unutarnjoj membrani mitohondrija i služe za stvaranje ATP. Adenozin trifosfat je univerzalni izvor energije i može se akumulirati u sebi od 80 do 120 kJ.

Elektronički respiratorni lanac - što je to?

Elektroni i protoni igraju važnu ulogu u stvaranju energije. Oni stvaraju potencijalnu razliku na suprotnim stranama mitohondrijske membrane, koja generira usmjereno kretanje čestica - struja. Respiratornog lanca (što ETC, elektronska transporta lanca) je posrednik u prijenosu pozitivno nabijenih čestica u intermembrane prostoru i negativno nabijenih čestica u debljine unutarnje membrane mitohondrija.

Glavna uloga u formiranju energije pripada ATP sintazi. Taj složeni kompleks mijenja energiju usmjerenog kretanja protona u energiju biokemijskih veza. Usput, gotovo identičan kompleks se nalazi u kloroplastima biljaka.

Kompleksi i enzimi respiratornog lanca

Prijelaz elektrona prati biokemijske reakcije u prisutnosti enzimskog aparata. ovi biološki aktivne tvari, brojne kopije koje čine velike složene strukture, služe kao posrednici pri prijenosu elektrona.

Kompleksi dišnih lanaca su središnje komponente transporta nabijenih čestica. Ukupno, postoji 4 takva formacija u unutarnjoj membrani mitohondrija, kao i ATP sintaza. Sve ove strukture ujedinjene su zajedničkim ciljem - prijenos elektrona preko ETC-a, prijenos vodikovih protona u intermembranski prostor i kao posljedica toga, sinteza ATP.

Kompleks je skup molekula proteina, među kojima postoje enzimi, strukturni i signalni proteini. Svaki od četiri kompleksa ispunjava svoju vlastitu funkciju, samo svoju vlastitu. Pogledajmo za koje zadatke u ETC postoje te strukture.

Ja sam složen

U prijenosu elektrona u debljini mitohondrijske membrane, respiratorni lanac igra važnu ulogu. Reakcije odvajanja vodikovih protona i njihovih pratećih elektrona su jedna od središnjih reakcija ETC-a. Prvi set transportnom lancu pretpostavlja molekule NAD * H + (kod životinja) ili NADP (H + * biljke), a zatim cijepanjem četiri vodikovih protona. Zapravo, zbog ove biokemijske reakcije, I kompleks se također naziva NADH dehidrogenaza (naziva se središnji enzim).

Sastav kompleksa dehidrogenaze uključuje proteine ​​koji nedostaju željeza od 3 vrste, kao i flavin mononukleotide (FMN).

II kompleks

Rad ovog kompleksa nije povezan s prijenosom vodikovih protona u intermembranski prostor. Glavna funkcija te strukture je nabaviti dodatne elektrone lanca elektronskog transporta oksidacijom sukcinata. Središnji enzimski kompleks - sukcinata-ubikinon oksidoreduktaza, koja katalizira cijepanje elektrona iz jantarna kiselina i prijenosu u ubikinona lipofilni.

Dobavljač vodika i elektronskog protona u drugi kompleks je također FAD * H₂. Međutim, učinkovitost flavin adenin dinukleotida je manja od one njegovih analoga - NAD * H ili NADP * H.

Sastav kompleksa II uključuje tri tipa željezo-sumpornih proteina i središnji enzim sukcinat-oksidoreduktaza.

III kompleks

Sljedeća komponenta, ETC, sastoji se od citokroma b₅₅₆,b₅₆₀ i c₁, kao i rizik od bjelančevina s manjkom željeza. Rad trećeg kompleksa povezan je s prijenosom dva protona vodika u intermembranski prostor i elektrona iz lipofilnog ubikinona na citokromu C.

Značajka proteina Riske je da se otapa masnoća. Drugi proteini ove skupine koji su pronađeni u kompleksima dišnih lanaca su topljivi u vodi. Ova značajka utječe na položaj molekula proteina u debljini unutarnje membrane mitohondrija.

Treći kompleks funkcionira kao ubikinon-citokrom c-oksidoreduktaza.

IV kompleks

Također je kompleks citokrom-oksidansa, krajnja točka u ETC. Njegov je posao prijenos elektrona od citokroma-c do atoma kisika. Nakon toga, negativno nabijeni O atomi reagiraju s vodikovim protonima kako bi se oblikovala voda. Glavni enzim je citokrom c-kisik-oksidoreduktaza.

Četvrti kompleks uključuje citokroma a, a₃ i dva atoma bakra. Središnja uloga u prijenosu elektrona na kisik dobivena je citokromom a₃. Interakcija tih struktura potiskuje dušik cijanid i ugljični monoksid, koji u globalnom smislu dovodi do prestanka sinteze ATP i smrti.

ubiquinone

Ubiquinon je supstanca slična vitaminu, lipofilni spoj koji se slobodno kreće u debljini membrane. Dišni lanac mitohondrija ne može bez ove strukture jer je odgovoran za transport elektrona iz kompleksa I i II u kompleks III.

Ubiquinon je derivat benzokinona. Ta struktura na shemama može biti označena slovom Q ili skraćenom LU (lipofilni ubikinon). Oksidacija molekule dovodi do stvaranja sedin-kinona - snažnog oksidansa, što je potencijalno opasno za stanicu.

ATP sintaze

Glavna uloga u formiranju energije pripada ATP sintazi. Ova struktura slična gljivama koristi energiju usmjerenog gibanja čestica (protona) kako bi ga pretvorila u energiju kemijskih veza.

Glavni proces koji se javlja u cijelom ETC - ovo je oksidacija. Respiracijski lanac je odgovoran za prijenos elektrona u debljinu mitohondrijske membrane i njihovu akumulaciju u matrici. Istovremeno, kompleksi I, III i IV pumpaju protone vodika u intermembranski prostor. Razlika u naboju na stranama membrane dovodi do usmjerenog kretanja protona kroz ATP sintazu. Dakle, H + pada u matricu, susreće elektrone (koji su povezani s kisikom) i tvore neutralnu supstancu za stanicu - vodu.

ATP sintaza se sastoji od F0i F1 podjedinica, koji zajedno čine molekulski usmjerivač. F1 se sastoji od tri alfa i tri beta podjedinica, koje zajedno tvore kanal. Ovaj kanal ima isti promjer kao i vodikovi protoni. Kada pozitivno nabijene čestice prolaze kroz ATP sintazu, glava F₀ Molekula rotira 360 stupnjeva oko svoje osi. Tijekom tog vremena, fosforni ostaci se dodaju AMP ili ADP (adenozin mono- i difosfat) uz pomoć makroergijske veze, u kojem je ogromna količina energije zatvorena.

ATP sintaze nalaze se u tijelu ne samo u mitohondrijima. U biljkama, ti kompleksi su također smješteni na membrani vakuola (tonoplast), kao i na tilakoide kloroplasta.

Također u stanicama životinja i biljaka postoje ATP-ase. Oni imaju sličnu strukturu, kao u ATP sintazama, ali njihovo djelovanje usmjereno je na cijepanje fosfornih ostataka uz potrošnju energije.

Biološko značenje respiratornog lanca

Prvo, krajnji proizvod ETC reakcija je takozvana metabolička voda (300-400 ml dnevno). Drugo, dolazi do sinteze ATP i energija je pohranjena u biokemijskim vezama ove molekule. U danu se sintetizira 40-60 kg adenozin trifosfata, a istu količinu se koristi u enzimskim reakcijama stanice. Životni vijek jedne molekule ATP je 1 minutu, tako da dišni lanac treba raditi glatko, jasno i bez pogrešaka. Inače će stanica umrijeti.

Mitochondria se smatraju elektranama bilo koje ćelije. Njihov broj ovisi o troškovima energije koji su potrebni za određene funkcije. Na primjer, u neuronima može se računati do 1000 mitohondrija, koje često čine skupinu u takozvanom sinaptičkom plaku.

Razlike u respiratornom lancu u biljkama i životinjama

U biljkama, dodatna "energija stanica" stanica je kloroplast. ATP sintaze su također pronađene na unutarnjoj membrani ovih organela, a to je prednost nad životinjskim stanicama.

Također, biljke mogu preživjeti u uvjetima visoke koncentracije ugljičnog monoksida, dušika i cijanida zbog putanja otpornih na cijanid u ETC. I respiratorni lanac, dakle, završava ubiquinonom, elektrona iz kojih se odmah prenose na atome kisika. Kao rezultat toga, sintetizira se manje ATP-a, no biljka može preživjeti nepovoljne uvjete. Životinje u takvim slučajevima s produljenom izloženosti umiru.

Moguće je usporediti učinkovitost NAD, FAD i staza stabilnog cijanidom pomoću indeksa ATP proizvodnje za prijenos 1 elektrona.

• s NAD ili NADP formiraju se 3 molekule ATP;
• s FAD-om nastaju dvije molekule ATP;
• Jedna molekula ATP se formira duž staze stabilne cijanidom.

Evolucijska vrijednost ETC-a

Za sve eukariotske organizme, jedan od glavnih izvora energije je respiratorni lanac. Biokemija sinteze ATP u stanici je podijeljena u dvije vrste: fosforilacija supstrata i oksidativna fosforilacija. ETC se koristi u sintezi energije drugog tipa, to jest zbog reakcija smanjenja oksidacije.

U prokariotskim organizmima, ATP nastaje samo u procesu fosforilacije supstrata u fazi glikolize. Četiri ugljikova šećera (uglavnom glukoza) su uključeni u ciklus reakcije, a na izlazu stanica prima 2 molekule ATP. Ova vrsta sinteze energije smatra se najprimitivnijom jer u eukariotskom postupku nastaju 36 ATP molekula u procesu oksidacijske fosforilacije.

Međutim, to ne znači da su moderne biljke i životinje izgubile sposobnost supstrata fosforilacije. Jednostavno je ova vrsta sinteze ATP postala samo jedna od tri faze dobivanja energije u stanici.

Glikoliza u eukariotima odvija se u citoplazmi stanice. Postoje svi potrebni enzimi koji se mogu podijeliti na dvije molekule glukoze piruvinska kiselina s tvorbom 2 molekula ATP. Sve naredne faze prolaze kroz mitohondrijsku matricu. Krebsov ciklus ili ciklus trikarboksilnih kiselina također se javlja u mitohondrijima. Ovo je zatvoreni lanac reakcija, zbog čega se sintetiziraju NAD * H i FAD * H2. Ove molekule će ići kao potrošni materijal u ETC.