ระบบทางเดินหายใจ: เอนไซม์ที่ทำงานได้

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตใด ๆ ดำเนินการกับการใช้พลังงาน โซ่ระบบทางเดินหายใจเป็นลำดับโครงสร้างเฉพาะที่อยู่บนเมมเบรนภายในของ mitochondria และทำหน้าที่ในการสร้างเอทีพี adenosine triphosphate เป็นแหล่งพลังงานสากลและสามารถสะสมตัวเองได้ตั้งแต่ 80 ถึง 120 กิโลจูล

ระบบทางเดินหายใจของอิเล็กตรอน - มันคืออะไร?

อิเล็กตรอนและโปรตอนมีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของพลังงาน พวกเขาสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นในด้านตรงข้ามของเมมเบรนเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งจะสร้างการเคลื่อนไหวโดยตรงของอนุภาค - กระแส ห่วงโซ่ทางเดินหายใจ (เป็นห่วงโซ่การถ่ายโอนอิเล็กตรอน ฯลฯ ) เป็นสื่อกลางในการถ่ายเทอนุภาคที่มีประจุบวกเข้าไปในเนื้อเยื่อระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และอนุภาคประจุลบในความหนาของเมมเบรนภายในของ mitochondria

บทบาทหลักในการก่อตัวของพลังงานเป็นของ ATP synthase คอมเพล็กซ์ที่ซับซ้อนนี้ปรับเปลี่ยนพลังงานของการเคลื่อนที่ของโปรตอนไปเป็นพลังงานของพันธบัตรชีวเคมี โดยวิธีการที่ซับซ้อนเหมือนกันเกือบจะพบได้ใน chloroplasts ของพืช

คอมเพล็กซ์และเอนไซม์ของระบบทางเดินหายใจ

การถ่ายโอนอิเล็กตรอนมาพร้อมกับปฏิกิริยาทางชีวเคมีในที่ที่มีเครื่องเอนไซม์ สารที่ใช้งานทางชีวภาพ เหล่านี้ซึ่ง มี หลายรูปแบบซึ่งเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนขนาดใหญ่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน

คอมเพล็กซ์ระบบทางเดินหายใจเป็นองค์ประกอบหลักของการขนส่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ทั้งหมดมี 4 formations ดังกล่าวในเยื่อหุ้มชั้นในของ mitochondria รวมทั้ง ATP synthase โครงสร้างทั้งหมดเหล่านี้ถูกรวมกันโดยเป้าหมายร่วมกันคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่านทาง ETC การถ่ายเทโปรตอนของไฮโดรเจนไปยังพื้นที่ระหว่างเมมเบรนและด้วยเหตุนี้การ สังเคราะห์ ATP

ซับซ้อนเป็นกลุ่มของโมเลกุลโปรตีนในหมู่ที่มีเอนไซม์โปรตีนโครงสร้างและการส่งสัญญาณ แต่ละคอมเพล็กซ์ 4 แห่งตอบสนองการทำงานของตัวเองซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะ ลองดูว่างานใน ETC มีโครงสร้างอย่างไรบ้าง

ฉันซับซ้อน

ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในความหนาของ mitochondrial membrane, สายการหายใจมีบทบาทหลัก ปฏิกิริยาของการปลดปล่อยโปรตอนไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนประกอบเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาศูนย์กลางของ ETC กลุ่มแรกของห่วงโซ่การขนส่งใช้โมเลกุล NAD * H + (ในสัตว์) หรือ NADP * H + (ในพืช) ตามมาด้วยการแยกโปรตอนของไฮโดรเจนออกเป็นสี่ส่วน อันที่จริงเพราะปฏิกิริยาทางชีวเคมีนี้ฉันซับซ้อนเรียกว่า NADH dehydrogenase (โดยชื่อของเอนไซม์ส่วนกลาง)

ส่วนประกอบของเอนไซม์ dehydrogenase ประกอบด้วยโปรตีนที่ขาดโปรตีน 3 ชนิดรวมทั้ง flavin mononucleotides (FMN)

II ซับซ้อน

การทำงานของกลุ่มนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทโปรตอนของไฮโดรเจนเข้าไปในเนื้อเยื่อระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ หน้าที่หลักของโครงสร้างนี้คือการจัดหาอิเล็กตรอนเพิ่มเติมให้กับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนโดยออกซิไดซ์ซัคซิเนต เอนไซม์ส่วนกลางของ complex คือ succinate-ubiquinone-oxidoreductase ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นการกำจัดอิเล็กตรอนจากกรดซัคคินิกและถ่ายโอนไปยัง lipophilic ubiquinone

ผู้จัดหาไฮโดรเจนและโปรตอนอิเล็กตรอนไปยังกลุ่มที่สองคือ FAD * H ₂ อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของ flavin adenine dinucleotide น้อยกว่าของ analogs - NAD * H หรือ NADP * H.

ส่วนประกอบของ II complex ประกอบด้วยโปรตีนและธาตุเหล็กสามชนิดและเอนไซม์ succinate-oxidoreductase

III ซับซ้อน

ส่วนประกอบต่อไปของ ETC ประกอบด้วย cytochromes b ₅₅₆ , B ₅₆₀ และ c ₁ รวมถึงโปรตีน Riske ที่มีความเสี่ยง งานที่ซับซ้อนที่สามเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทโปรตอนสองชนิดของไฮโดรเจนเข้าไปในเนื้อเยื่อระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และอิเล็กตรอนจาก lipophilic ubiquinone ใน cytochrome C.

ลักษณะของโปรตีนความเสี่ยงคือการละลายไขมัน โปรตีนอื่น ๆ ของกลุ่มนี้ที่พบได้ในคอมเพล็กซ์ของระบบทางเดินหายใจนั้นสามารถละลายน้ำได้ คุณลักษณะนี้มีผลต่อตำแหน่งของโมเลกุลโปรตีนในความหนาของเยื่อหุ้มชั้นในของ mitochondria

ฟังก์ชันที่ซับซ้อนที่สามเป็น ubiquinone-cytochrome c-oxidoreductase

IV ซับซ้อน

นอกจากนี้ยังเป็น cytochrome-oxidant complex ซึ่งเป็นจุดสุดท้ายของ ETC งานของเขาคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก cytochrome-c ไปเป็นอะตอมออกซิเจน ต่อมาอะตอมของอะตอมจะถูกทำปฏิกิริยากับโปรตอนไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ เอนไซม์หลักคือ cytochrome c-oxygen-oxidoreductase

ที่ซับซ้อนที่สี่ประกอบด้วย cytochromes a, ₃ และ 2 อะตอมของทองแดง Cytochrome a ₃ มีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปสู่ออกซิเจน การปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างเหล่านี้ถูกยับยั้งโดยไนโตรเจนไซยาไนด์และคาร์บอนมอนอกไซด์ซึ่งในแง่สากลจะนำไปสู่การยุติการสังเคราะห์ ATP และความตาย

ubiquinone

Ubiquinone เป็นสารที่มีวิตามินคล้ายซึ่งเป็นสารประกอบของไขมันที่เคลื่อนย้ายได้อย่างอิสระในความหนาของเมมเบรน ทางเดินหายใจของ mitochondria ไม่สามารถทำได้โดยไม่มีโครงสร้างนี้เพราะมันมีหน้าที่ในการขนส่งอิเล็กตรอนจากบริเวณที่ซับซ้อน I และ II ไปสู่ complex III

Ubiquinone เป็นอนุพันธ์ของ benzoquinone โครงสร้างนี้สามารถระบุได้โดยตัวอักษร Q หรือตัวย่อ LU (lipophilic ubiquinone) ออกซิเดชันของโมเลกุลนำไปสู่การก่อตัวของเจ็ด - quinone - ออกซิไดเซอร์ที่แข็งแกร่งซึ่งอาจเป็นอันตรายสำหรับเซลล์

ATP synthase

บทบาทหลักในการก่อตัวของพลังงานเป็นของ ATP synthase โครงสร้างของเห็ดนี้ใช้พลังงานจากการเคลื่อนที่ของอนุภาค (โปรตอน) เพื่อเปลี่ยนให้กลายเป็นพลังงานของพันธะเคมี

กระบวนการหลักที่เกิดขึ้นทั่วทั้ง ETC คือกระบวนการออกซิเดชั่น โซ่ระบบทางเดินหายใจมีหน้าที่ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเข้าสู่ความหนาของเมมเบรนและพังผืดในเมทริกซ์ ในเวลาเดียวกัน complexes I, III และ IV ปั๊มโปรตอนของไฮโดรเจนเข้าสู่พื้นที่ intermembrane ความแตกต่างของค่าใช้จ่ายด้านข้างของเมมเบรนทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโปรตอนผ่าน ATP synthase ดังนั้น H + ตกอยู่ในเมทริกซ์, พบอิเล็กตรอน (ซึ่งเกี่ยวข้องกับออกซิเจน) และสร้างสารที่เป็นกลางสำหรับเซลล์ - น้ำ

synthase ATP ประกอบด้วย F0 และหน่วยย่อยย่อย F1 ซึ่งรวมกันเป็นโมเลกุลเราเตอร์ F1 ประกอบด้วยอัลฟาและเบต้าสามยูนิตซึ่งรวมกันเป็นช่อง ช่องนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับโปรตอนของไฮโดรเจนเท่ากัน เมื่ออนุภาคมีประจุบวกผ่าน ATP synthase หัวของโมเลกุล F ₀ จะหมุน 360 องศารอบแกนของมัน ในช่วงเวลานี้สารตกค้างของฟอสฟอรัสจะติดกับ AMP หรือ ADP (adenosine และ diphosphate) ด้วยความช่วยเหลือของพันธบัตร macroergic ซึ่งจะมีพลังงานอยู่เป็นจำนวนมาก

synthases ATP จะพบในร่างกายไม่เพียง แต่ใน mitochondria ในพืชคอมเพล็กซ์เหล่านี้ยังตั้งอยู่บนเมมเบรนของ vacuoles (tonoplast) เช่นเดียวกับ thylakoids ของ chloroplast

นอกจากนี้ในเซลล์ของสัตว์และพืชมี ATP-ase พวกเขามีโครงสร้างที่คล้ายกันเช่นเดียวกับในการสังเคราะห์ ATP แต่การกระทำของพวกเขามีจุดมุ่งหมายเพื่อลดการตกค้างของฟอสฟอรัสด้วยการใช้พลังงาน

ความหมายทางชีวภาพของระบบทางเดินหายใจ

ประการแรกผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาอื่น ๆ คือสิ่งที่เรียกว่าเมตาบอลิซ (300-400 มิลลิลิตรต่อวัน) ประการที่สองการสังเคราะห์ ATP เกิดขึ้นและพลังงานถูกเก็บไว้ในพันธะทางชีวเคมีของโมเลกุลนี้ วันหนึ่งจะสังเคราะห์ adenosine triphosphate 40-60 กก. และใช้ปฏิกิริยาเอนไซม์ของเซลล์ในปริมาณที่เท่ากัน อายุการใช้งานของโมเลกุลหนึ่งตัวของ ATP คือ 1 นาทีดังนั้นระบบทางเดินหายใจจึงทำงานได้อย่างราบรื่นชัดเจนและปราศจากข้อผิดพลาด มิฉะนั้นเซลล์จะตาย

Mitochondria ถือเป็นสถานีไฟฟ้าของเซลล์ใด ๆ จำนวนของพวกเขาขึ้นอยู่กับค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่จำเป็นสำหรับการทำงานบางอย่าง ยกตัวอย่างเช่นในเซลล์ประสาทสามารถคำนวณได้ถึง 1,000 ไมโตคอนเดรียซึ่งมักก่อตัวเป็นกลุ่มในแผ่นโลหะ synaptic ที่เรียกว่า

ความแตกต่างในระบบทางเดินหายใจในพืชและสัตว์

ในพืช "สถานีพลังงาน" เพิ่มเติมของเซลล์คือ chloroplast การสังเคราะห์ ATP ยังพบได้ในเยื่อหุ้มชั้นในของอวัยวะเหล่านี้และเป็นข้อได้เปรียบเหนือเซลล์สัตว์

นอกจากนี้พืชสามารถอยู่รอดได้ในสภาวะที่มีความเข้มข้นสูงของคาร์บอนมอนอกไซด์ไนโตรเจนและไซยาไนด์เนื่องจากมีสารที่เป็นไซยาไนด์ใน ETC ดังนั้นระบบทางเดินหายใจจึงจบลงใน ubiquinone ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังอะตอมออกซิเจนทันที เป็นผลให้มีการสังเคราะห์ ATP น้อยลง แต่พืชสามารถอยู่รอดได้ในสภาวะที่ไม่พึงประสงค์ สัตว์ในกรณีดังกล่าวที่มีการสัมผัสเป็นเวลานานตาย

สามารถเปรียบเทียบประสิทธิผลของ NAD, FAD และไซยาไนด์ได้โดยใช้ดัชนีการผลิต ATP สำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน 1 ตัว

• ด้วย NAD หรือ NADP ก่อตัว 3 โมเลกุลของ ATP;
• กับ FAD สองโมเลกุลของเอทีพีจะเกิดขึ้น;
• หนึ่งโมเลกุลของ ATP จะเกิดขึ้นตามทางเดินไซยาไนด์เสถียร

ค่าวิวัฒนาการของ ETC

สำหรับสิ่งมีชีวิตที่เป็นยูคาริโอตทั้งหมดหนึ่งในแหล่งพลังงานหลักคือระบบทางเดินหายใจ ชีวเคมีของการสังเคราะห์ ATP ในเซลล์ถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ phosphorylation และ oxidative phosphorylation ETC ใช้ในการสังเคราะห์พลังงานชนิดที่สองนั่นคือเนื่องจากปฏิกิริยาการเกิดออกซิเดชัน - ลดลง

ในสิ่งมีชีวิต prokaryotic, ATP จะเกิดขึ้นเฉพาะในกระบวนการของสารตั้งต้น phosphorylation ในระยะไกลไกลโคลิเซียม น้ำตาลหกคาร์บอน (ส่วนใหญ่เป็นน้ำตาลกลูโคส) มีส่วนเกี่ยวข้องในวงจรปฏิกิริยาและเมื่อออกจากเซลล์จะได้รับ 2 โมเลกุลของ ATP การสังเคราะห์พลังงานชนิดนี้ถือได้ว่าเป็นแบบดั้งเดิมที่สุดเนื่องจากในโมเลกุลของอะตอมยูคาริโอตจะมีโมเลกุลเอทีพี 36 ตัวในกระบวนการ phosphorylation ออกซิเดชัน

อย่างไรก็ตามไม่ได้หมายความว่าพืชและสัตว์ที่ทันสมัยได้สูญเสียความสามารถในการทำปฏิกิริยา phosphorylation เพียงแค่การสังเคราะห์ ATP นี้ได้กลายเป็นเพียงหนึ่งในสามขั้นตอนของการได้รับพลังงานในเซลล์เท่านั้น

Glycolysis ในยูคาริโอทจะผ่านใน cytoplasm ของเซลล์ มีเอนไซม์ที่จำเป็นทั้งหมดที่สามารถแบ่งกลูโคสได้ถึงสองโมเลกุลของ กรดไพรูฟิก ด้วยการก่อตัวของ 2 โมเลกุลของเอทีพี ทุกขั้นตอนต่อมาผ่านในเมทริกซ์ของ mitochondria วงจร Krebs หรือวงจรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกยังเกิดขึ้นใน mitochondria นี่คือปฏิกิริยาลูกโซ่แบบปิดซึ่งเป็นผลจากการสังเคราะห์ NAD * H และ FAD * H2 โมเลกุลเหล่านี้จะไปเป็นวัสดุที่ใช้ประโยชน์ได้ใน ETC