Электронная структура некоторых радикалов

1. Свободные радикалы и болезни человека

Биофизические основы
патологии клетки
Свободные радикалы и болезни человека
Ю.А. Владимиров, А.Н. Осипов
2018

2. Электронная структура некоторых радикалов

+e¯
O O
Кислород
¯
+ H+
Супероксидный анионрадикал
+ H+ +e¯
H O O
(
¯
O O
)
Супероксидный анион-радикал
( )
O O
( )
H O O
Гидроперекисный радикал
H O O H
Пероксид водорода
+ H+ +e¯
O H
Гидроксильный
радикал

3. в норме

Образование супероксидных
радикалов в митохондриях
в норме
NAD+ + H+
Матрикс
NADH
4H+
2H2O
2e¯
IV
III
I
Q
NADH-дегидрогеназа
QH2
Цитохром c
оксидаза
Цитохром b-c1
II
e¯
C(Fe+3)
e¯
C(Fe+2)
O2
Внутренняя мембрана
C(Fe+3)
Межмембранное пространство
Римскими цифрами обозначены дыхательные комплексы, на которые Дэвид Грин впервые разделил цепь переноса электронов в митохондриях.
Строчными буквами обозначены цитохромы. Комплекс II (сукцинат дегидрогеназа) на рисунке не показан.

4. при гипоксии

Образование супероксидных
радикалов в митохондриях
NAD+
+
NADH
при гипоксии
H+
4H+
2e¯
I
Q
QH2
IV
III
II
e¯
C(Fe+3)
C(Fe+3)
e¯
C(Fe+2)
O2
2H2O

5. при реоксигенации

Образование супероксидных
радикалов в митохондриях
NAD+
+
при реоксигенации
H+
NADH
+О2
4H+
2H2O
2e¯
I
Q
QH2
III
IV
II
e¯
C(Fe+3)
e¯
C(Fe+2)
O2
О2 НО2 Н2О2 ОН
+О2
+О2
О2 НО2 Н2О2 ОН
О2 НО2 Н2О2 ОН

6.

Биоэнергетические
функции
митохондрий

7. Запасание энергии в митохондриях (окислительное фосфорилирование)

Субстраты + кислород продукты окисления
АДФ + H3PO4 АТФ
Наружная мембрана
Внутренняя мембрана
Как же
осуществляется
это сопряжение
Матрикс
Участок
внутренней
мембраны
?

8. Дыхательные комплексы митохондрий

цитохром С-оксидаза
NADH-дегидрогеназа
NAD+ + H+
Матрикс
сукцинат-дегидрогеназа
цитохром С-редуктаза
NADH
2e¯
I
II
4H+ 2H2O
IV
III
Q
QH2
e¯
C
коэнзим Q
C
O2
цитохром С
Внутренняя мембрана
Межмембранное пространство
Римскими цифрами обозначены дыхательные комплексы
митохондрий, которые впервые описал Дэвид Грин.

9. Структура комплекса I митохондрий

Комплекс I: NADH-дегидрогеназа

10. Структура комплекса II митохондрий

Комплекс II: сукцинат-дегидрогеназа

11. Структура комплекса III митохондрий

Комплекс III: цитохром С-редуктаза/цитохром b-c1

12. Превращения коэнзима Q в митохондриях

13. Структура комплекса IV митохондрий

Комплекс IV: цитохром С оксидаза

14. Строение ATP-синтазного комплекса (комплекса V)

F1
ADP
b
Pi
a
a
b
b
ATP
a
H2O
g
F0
А.Н. Тихонов. СОЖ 1997, 7(20): 10-17

15.

Структура митохондриальной
электрон-транспортной цепи
Электрохимический протонный
градиент
Межмембранное пространство
матрикс

16.

Митохондриальная мембрана и
электрон-транспортная цепь
Внешняя мембрана
Матрикс
Внутренняя мембрана
Межмембранное пространство

17. Окислительно-восстановительные потенциалы переносчиков

ОВП (В)
Окислительно-восстановительные
потенциалы переносчиков
АТФ
- 0.1
АТФ
0.4
NAD(P)-0.32
FMN
-0.3
CoQ +0.04
cyt b +0.07
cyt c1 +0.23
cyt c +0.25
cyt a +0.29
cyt a3 +0.55
O2/H2O+0.82
АТФ
0.9
НАД ФМН КоQ
цит c1
цит a
O2 /H2O
цит b
цит c
цит a

18. Нобелевская премия по химии 1978 года присуждена Питеру Митчеллу за:

... его вклад в понимание механизмов передачи энергии в биологических системах,
выраженный созданием хемиосмотической теории.
Peter Mitchell, Glynn Research
Laboratories, Bodmin, Cornwall, UK

19. Окислительное фосфорилирование (По Митчеллу)

Цепь комплексов переноса электронов
Субстраты
Матрикс
H+
АДФ + Фн
+
+
-
+
-
+
H+
+
ATP
F0F1-АТФаза
(АТФ-синтаза)
+
H+
O2
-
-
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
H+
Межмембранное
пространство

20. Транспорт кальция и фосфата в митохондрии

Ca2+
H3PO4

21. Энергизация митохондрии при переносе электронов

Цитоплазма
Переносчик фосфата
Переносчик кальция
2e –
D pH
2H+ Протонная помпа
2H+
Dj
Мембраны
митохондрии
Матрикс

22. Перенос Ca2+ в матрикс митохондрий

Цитоплазма
Переносчик фосфата
Переносчик кальция
+
Dj
DpH
Ca2+
2H+ Протонная помпа
2H+
Мембраны
митохондрии
Матрикс

23. Перенос фосфата в матрикс митохондрий

Цитоплазма
H2O
H2PO4¯
HO ¯
Переносчик фосфата
Переносчик кальция
H+
2e ¯
2
2H+ Протонная помпа
2H+
Dj
DpH
Мембраны
митохондрии
Матрикс

24. Протон-движущая сила (PMF, proton motive force)

Энергия одного моля иона в данной среде называется электрохимическим
потенциалом. Разность электрохимических потенциалов протона между двумя
водными фазами внутри и вне митохондрий описывается уравнением:
D H
[H ] o
RT ln
FDj
[H ]i
Где R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, [H+]o и [H+]i – концентрации
ионов водорода вне и внутри матрикса, соответственно, F – число Фарадея, Dj разность потенциалов между окружающей средой и матриксом.
Петер Митчелл в качестве единицы энергии использовал электрон-вольты, в
результате чего уравнение (1) несколько трансформируется:
PMF =
D H
F
[H ] o
RT
ln
Dj
F
[H ]i

25. Вклад DpH и Dj в PMF

Суммарная энергия окислительно-восстановительной реакции,
превращенная в разность электрохимических потенциалов
ионов водорода, была названа П. Митчеллом протондвижущей силой, по аналогии с электродвижущей силой в
гальванической батарее.
Заменив натуральный логарифм десятичным, легко найти
величину протон-движущей силы, зная разность pH (DpH) и
разность потенциалов (Dj) между средой и матриксом при
комнатной температуре; выраженная в милливольтах она будет
равна:
PMF (мВ) = 60 (мВ) DpH + Dj
В митохондриях основной вклад в эту сумму вносит
мембранный потенциал, который в присутствии субстрата
и кислорода составляет около 170-180 мВ.

26. Действие Ca2+ и Pi

Электрохимический потенциал протона
D H
[H ] o
RT ln
F
D
j
[H ]i
+ Pi
2+
+Ca

27. Дыхание митохондрий в разных функциональных состояниях

O2
субстраты

28. Потребление кислорода митохондриями в разных состояниях по Б. Чансу

Среда инкубации содержит
ортофосфат и немного АДФ
Концентрация кислорода
Добавили митохондрии
V1
V2
Добавили сукцинат
Кончился АДФ
100 мкА О2
1 мин
Исчерпан
кислород
V3
V4
0
V5
Время инкубации суспензии без доступа кислорода

29. Состояние 2 - деэнергизованное

Переносчик кальция
Протонная помпа
Переносчик фосфата
+
–
АДФ
ADP
МИТО
кислород
1
2
H+
SUC
АТФ-синтаза
3
4
0
Время
5
ATP

30. Состояние 3 - Фосфорилирующее

Протонная помпа
Переносчик кальция
H+
e¯
Переносчик фосфата
АДФ
ADP
МИТО
кислород
1
2
SUC
АТФ-синтаза
3
4
0
Время
H+
ATP
5

31. Состояние 4 – Энергизованное (Дыхательный контроль)

Протонная помпа
Переносчик кальция
H+
e¯
Переносчик фосфата
–
+
АДФ
МИТО
кислород
1
2
SUC
H+
3
4
0
Время
5
АТФ-синтаза
Dj
DpH