Развитие учения о биологическом окислении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Биологическое окисление. Цикл Кребса, гликолиз

1. История развития учения о биологическом окислении

Изучение окисления в организме было начато в 18 веке А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование биологического окисления (БО) (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР - А. Н. Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др.

В 1777г французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О2. Так как горение и дыхание сопровождаются потреблением О2 и выделение СО2, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения: оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию окисления», согласно которой молекула О2 сначала активируется. Активация О2 происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам - оксидазам. Активированный О2 при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.

Теория «перекисного окисления» Баха нашла свое подтверждение, однако главный механизм биологического окисления оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о биологическом окислении принадлежит русскому ученому ботанику и биохимику В.И. Палладину (1859-1922), который создал теорию дыхания, как совокупности ферментативных процессов. Он предположил, что окисление субстратов может происходить в 2 фазы:

1). Анаэробная фаза. В этой фазе особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH2).

2). Аэробная фаза. Восстановленные хромогены RH2 передают Н на О2.

В последствии теория В.И. Паладина подтвердилась для процессов митоходриального окисления, а хромогены, принимающие участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются ферментами дегидрогеназами.

Современные представления о биологическом окислении

Согласно современной теории биологического окисления :

· Окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

· В аэробных организмах существует несколько путей использования О2.

· Реакции биологического окисления необходимы в первую очередь для получения энергии в форме АТФ, а также для синтеза новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.

· БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) - реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения/отщепления: 1) 1 е-; 2) 2е- и 2Н+; 3) атомов кислорода.

Биологическое окисление (БО) совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают во всех живых клетках.

Субстрат биологического окисления (БО)- вещество, способное отдавать электрон. (Любые вещества, способные вступать в реакции окисления).

Тканевое дыхание - окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О2 и выделением воды.

Субстрат тканевого дыхания - это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования. (Например, НАДН2, ФАДН2).

Дыхательная цепь - цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О2 принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо.

Свободная энергия. Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ?G. У катаболических реакций ?G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анаболических реакций ?G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции).

Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Ео'), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ?G. Величину Ео' выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот.

Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у О2. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания.

2. Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется в несколько этапов:

1. При переваривании в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров, которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

2. В ходе катаболизма мономеры (моносахара, жирные кислоты и аминокислоты) превращаются в универсальное вещество - Ацетил-КоА (исключение некоторые АК).

3. Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в последовательных реакциях образуются субстраты тканевого дыхания: изоцитрат, б-КГ, сукцинат и малат.

4. Окисление субстратов тканевого дыхания сопровождается восстановлением коферментов НАДН2 и ФАДН2, которые затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме:

1. Оксидазный путь - окислительное фосфорилирование. Протекает в митохондриях, является основным источником АТФ в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода.

2. Монооксигеназный путь. Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. Используется для синтеза новых веществ (стероидные гормоны), обезвреживания ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР.

3. Диоксигеназный путь. Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата. Используется для деградации АК и синтеза новых веществ.

4. Пероксидазный и радикальный пути. Кислород участвует в образовании перекисей и активных радикалов, которые необходимы в пероксисомах для внутриклеточного пищеварения, разрушения макрофагами бактерий, вирусов, регуляции метаболизма и т.д. Перекиси и активные кислородные радикалы оказывают также повреждающее воздействие на структуры клеток и тканей, активируя ПОЛ. Разрушение перекисей и инактивация свободных радикалов осуществляется с помощью ферментативной и неферментативной антиокидантной системы.

В соответствие с путями потребления кислорода и катализируемыми реакциями, все оксидоредуктазы разделены на 5 групп:

1). Оксидазы удаляют Н из субстрата (S), используя в качестве акцептора Н только О2, продуктом реакции является вода. Все оксидазы содержат медь. Например, цитохромоксидаза, последний фермент дыхательной цепи.

SН2 + ЅО2 > S + Н2О.

2). Аэробные дегидрогеназы, или ФАД зависимые оксидазы, относятся к металлофлавопротеинам (ФАД, ФМН, Fe, Cu, Mo), находятся в пероксисомах и наружной мембране митоходрий. Они отнимают Н от субстрата, и передают его на О2 с образованием перекиси. Дегидрогеназа L-аминокислот (оксидаза L-аминокислот) в почках осуществляет окислительное дезаминирование. Ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза) превращает пурины в мочевую кислоту. Моноаминоксидазы (МАО) окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. Диаминоксидазы (ДАО) окисляют гистамин и другие диамины и полиамины. Образующаяся перекись бактерицидное действие.

SН2 + О2 > S + Н2О2

3). Анаэробные дегидрогеназы многочисленная группа, содержат в качестве коферментов НАДН2, НАДФН2, ФАД, ФМН, цитохромы. Они удаляют Н из субстрата, не используя в качестве акцептора протона О2. Анаэробные дегидрогеназы выполняют две главные функции: перенос Н с одного субстрата на другой в сопряженной ОВР и транспорт электронов в дыхательной цепи. Примеры ферментов: изоцитрат ДГ (НАДН2), сукцинат ДГ (ФАДН2), цитохромы в, с1, с, а и а3.

SН2 + R > S + RН2

4). Оксигеназы. Включают кислород в молекулу субстрата. Работают в составе мультиферментного комплекса, содержащего ФАД зависимую ДГ, Fe2S2-белок, цитохромы Р450 или В5. Этот комплекс встроен в мембрану ЭПР или внутреннюю мембрану митохондрий.

а) Монооксигеназы. Обеспечивают включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. В качестве восстановителей (R) используется НАДФН2, НАДН2 и аскорбат. Участвуют в синтезе стероидных гормонов, обезвреживании ксенобиотиков. Фен-4-монооксигеназа окисляет фен в тир. Пролингидроксилаза (аскорбат) гидроксилирует пролин в проколлагене.

SН + О2 + RH2 > SOH + Н2О + R

б) Диоксигеназы. Обеспечивают включение молекулы кислорода в молекулу субстрата, окисляют циклические соединения с разрывом цикла. Например, триптофаноксигеназа, превращает триптофан в фенилкенуренин.

S + О2 > SO2

5). Гидроксипероксидазы разрушают перекиси водорода и органические перекиси. Ферменты пероксидаза и каталаза. Пероксидазы, содержат протогем, восстанавливают перекись до воды за счет хинонов, аскорбата или цитохрома с. Глутатионперосидаза, содержит селен, восстанавливает перекись до воды за счет глутатиона.

Н2О2 + RH2 > 2Н2О + R

Каталаза, гемопротеин, использует одну Н2О2 как донор е-, а вторую Н2О2 как акцептор е-, в результате образуется вода и молекула кислорода. Каталазы много в крови, костном мозге, слизистых оболочках, почках и печени.

2Н2О2 > 2Н2О + О2.

Цикл Кребса

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) является процессом окисления АцетилКоА - универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В ЦТК участвуют 5 витаминов В1, В2, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД+, КоА и липоата.

Основной функции ЦТК является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических соединений.

Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования АК, липогенеза и синтеза гема. Интегрирует все виды обмена веществ.

Регуляция ЦТК. Осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитрат ДГ, б-КГ ДГ и СДГ. ЦТК ингибируется в основном НАДН2 и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют ЦТК в основном НАД+ и АДФ.

Реакции ЦТК

1). Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют ЩУК, НАД+; ингибируют АТФ, НАДН2, Сукцинил-КоА, цитрат.

2). Аконитаза локализуется в матриксе митохондрий.



3). Окислительно-восстановительная реакция, самая медленная в ЦТК.

Изоцитратдегидрогеназа локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют АМФ, Са2+, АДФ, НАД+; ингибируют АТФ, НАДН2.

4). Окислительно-восстановительная реакция.

б-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД+, ФАД.

б-КГ ДГ активируется Са2+, ингибируется сукцинил-КоА, АТФ, НАДН2.

5). Реакция субстратного фосфорилирования



6). Окислительно-восстановительная реакция.

Сукцинатдегидрогеназа, флавопротеин содержащий Fe2S2, связана с внутренней мембраной митохондрии. СДГ ингибирует ЩУК и Сукцинил-КоА,

7). Фумараза локализуется в матриксе митохондрий.

8). Окислительно-восстановительная реакция.

Малат ДГ локализуется в матриксе митохондрий.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь.

Энергетический баланс одного оборота ЦТК

В 4 окислительно-восстановительных реакциях ЦТК образуются 3 НАДН2 и 1 ФАДН2, которые направляются далее в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования ДЦ из 1 НАДН2 образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН2 - 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН2, 1 ФАДН2 и 1 ГТФ получается 12 АТФ.

Окислительное фосфорилирование

3. Механизмы сопряжения и разобщения, нарушения

МИТОХОНДРИИ: ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, СТРОЕНИЯ.

Митохондрии - органеллы клеток. Они имеют 2 мембраны наружную гладкую и внутреннюю с многочисленными складками - кристами, внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом.

Наружная мембрана содержит много белка порина, образующего гидрофильные каналы, которые пропускаю через мембрану неорганические ионы, метаболиты и даже небольшие белки (меньше 10кДа). Также она содержит ферменты: элонгазы (удлиняют молекулы насыщенных жирных кислот), кинуренингидроксилазу, моноаминооксидазу (маркер) и др.

Межмембранное пространство митохондрий содержит аденилатциклазу, нуклеозиддифосфаткиназы.

Внутренняя мембрана высокоспецифична, состоит на 70% из белков, которые выполняют каталитическую (окислительное фосфорилирование) и транспортную функцию. Внутренняя мембрана содержит ферменты: а). цепи окислительного фосфорилирования (цитохромоксидаза - маркер) б). СДГ в). в-оксибутират ДГ; г). карнитинацилтрансферазу, д). карнитинацилтранслоказу.

Внутренняя мембрана на 30% состоит из фосфолипидов, из них 20% приходиться на кардиолипин, который делает мембрану непроницаемой для всех ионов.

Матрикс на 50% состоит из белка и содержит сотни различных ферментов. Это ферменты: а). ЦТК; б). в-окисления жирных кислот; в). аминотрансферазы АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ д). фосфоенолпируваткарбоксилазу е). пируват ДГ. Также матрикс содержит несколько копий митохондриальной ДНК, митохондриальные рибосомы и тРНК.

В клетке содержится от сотни до тысячи митохондрий, их размер 2-3 мкм в длину и 1 мкм в ширину.

Метаболические и гомеостатические функции митохондрий

В митохондриях происходит: синтез АТФ и теплопродукция в реакция окислительного фосфорилирования; в-окисления жирных кислот; реакции ЦТК, через ЦТК протекают некоторые реакции глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема, осуществляется интеграция белкового, липидного и углеводного обмена.

Причины и последствия повреждений митохондрий

Повреждение внутренней мембраны митохондрий химическими и физическими факторами приводит разобщению окислительного фосфорилирования, нарушению синтеза АТФ, торможению анаболических реакций, межмембранного транспорта и всех видов обмена веществ.

4. Оксидазный путь использования кислорода в клетке

Оксидазный путь потребления кислорода протекает в митохондриях, потребляет 90% О2 и обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии движении электронов по дыхательной цепи.

Окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Хемиосмотическая теория Митчелла

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровождается синтезом АТФ.

Современные представления о механизме окислительного фосфорилирования

В настоящее время открыты все основные компоненты окислительного фосфорилирования, изучено их строение и свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, регуляция и механизмы некоторых стадий.

МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

Окислительное фосфорилирование состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены.

Процесс окисления

Процесс окисления происходит при движении электронов по дыхательной цепи от субстратов тканевого дыхания на кислород. Дыхательная цепь окислительного фосфорилирования состоит из 4 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами.

Комплекс I - НАДН2 дегидрогеназный комплекс - самый большой из дыхательных ферментных комплексов - имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe2S2 и Fe4S4) белков.

Комплекс II - СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.

Комплекс III - Комплекс b-c1 (фермент QH2 ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b562, b566, с1, и железо-серный белок.

Комплекс IV - Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а3) и 2 атома меди.

Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q10). Убихинон переносит по 2Н+ и 2е-.

убихинон - семихинон - гидрохинон

Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.

Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН2 дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c1, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.

Электрохимический потенциал. Компоненты дыхательной цепи располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе е- от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. При окислении 1 НАДН2 выделяется 220 кДж/моль свободной энергии.

I, III и IV комплексы дыхательной цепи используют 65-70% этой свободной энергии для переноса Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, 30-35% свободной энергии рассеивается в виде тепла.



Этапы движения е- по дыхательной цепи

1. 2е- от НАДН2, проходят через I комплекс (ФМН>SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н+ (механизм переноса Н+ неизвестен).

2. КоQ с 2е- забирает у воды 2Н+ из матрикса и превращается в КоQН2 (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).

3. КоQН2 переносит 2е- на комплекс III, а 2Н+ в межмембранное пространство.

4. Цитохром С переносит е- c III комплекса на IV комплекс.

5. IV комплекс сбрасывает е- на О2, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н+ (механизм переноса Н+ неизвестен).

При переносе Н+ из матрикса в межмембранное пространство на внутренней мембране создается осмотический градиент протонов ?рН = 60 мВ (при ?рН=1) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый Н+ несет положительный заряд, на внутренней мембране также появляется разность потенциалов ?V=160мВ, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя - положительно.

В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 60+160=220 мВ.

Механизм переноса Н+ через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е- с перемещением Н+.

Образовавшийся на внутренней мембране митохондрий электрохимический потенциал используется для:

1) фосфорилирования АДФ в АТФ;

2) транспорта веществ через мембрану митохондрий;

3) теплопродукцию.

Процесс фосфорилирования

Процесс фосфорилирования осуществляется АТФ-синтетазой (Н+-АТФ-аза), которая потребляет 40-45% свободной энергии, выделившейся при окислении. Н+-АТФ-аза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий, она состоит из 2 белковых комплексов F0 и F1.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану и служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Он состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс. энергия субстрат кислород фосфорилирование

Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3б, 3в, г, д, е). Субъединицы б и в уложены попарно, образуя «головку»; между а- и в-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; г, д, е - субъединицы связывают комплекс F1, с F0.

АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей.

Электрохимический потенциал внутренней мембраны заставляет Н+ двигаться из межмебранного пространства по каналу АТФ-синтазы в матрикс митохондрий. При каждом переносе протонов через канал Fo энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и в-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам б- и в-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла: 1) связывание АДФ и Н3РО4; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ.

Сопряжения и разобщения окислительного фосфорилирования

Процесс окисления создает электрохимический потенциал, а процесс фосфорилирования его использует. Таким образом, электрохимический потенциал обеспечивает сопряжение (связывание) процессов окисления и фосфорилирования (окислительного фосфорилирования).

Так как необходимый для сопряжения электрохимический потенциал создают I, III и IV комплексы дыхательной цепи, их называют пунктами сопряжения окисления и фосфорилирования.

Повреждение внутренней мембраны митохондрий или увеличение ее проницаемости под действием разобщителей вызывает исчезновение электрохимического потенциала, разобщение процессов окисления и фосфорилирования, и прекращение синтеза АТФ.

Разобщение дыхания и фосфорилирования называют явление исчезновения на мембране электрохимического потенциала под действием разобщителей и прекращение синтеза АТФ.

Разобщителями являются вещества, которые могут переносить протоны (протонофоры) или другие ионы (ионофоры) через мембрану минуя каналы АТФ-синтетазы. В результате разобщения количество АТФ снижается, АДФ увеличивается, возрастает скорость потребления О2, окисления НАДН2, ФАДН2, а образовавшаяся свободная энергия выделяется в виде теплоты.

Как правило, разобщители -- липофильные вещества, легко проходящие через мембраны. Например, вещество 2,4-динитрофенол (переносит Н+), лекарство - дикумарол, метаболит - билирубин, гормон щитовидной железы - тироксин, антибиотики - валиномицин и грамицидин.

Коэффициент окислительного фосфорилирования

Для оценки эффективности окислительного фосфорилирования используют коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

Коэффициентом окислительного фосфорилирования называют отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания.

При окисление молекулы НАДН2, е- по дыхательной цепи проходят 3 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 3 АТФ при затрате 3 Н3РО4 и 3 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для НАДН2 Р/О=3.

При окисление молекулы ФАДН2, е- по дыхательной цепи проходят только 2 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 2 АТФ при затрате 2 Н3РО4 и 2 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для ФАДН2 Р/О=2.

Эти величины Р/О отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величина меньше из-за затрат на транспорт.

Транспорт веществ через мембрану митохондрий

1). Внутренняя мембрана митохондрии проницаема для незаряженных простых молекул О2, Н2О,

СО2, NH3, а также для монокарбоновых кислот. Эти вещества проходят мембрану самостоятельно по градиенту концентраций.

2). Для ионов мембрана не проницаема, через мембрану их переносят специальные насосы за счет энергии электрохимического потенциала. Только на транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти всей энергии электрохимического потенциала.

Симпортом с Н+ в матрикс перемещается ПВК и Са2+.

Антипортом перемещаются:

В результате обменных механизмов антипорта поддерживается осмотическое равновесие.

Теплопродукция

30-35% свободной энергии рассеивается в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание температуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при paзобщении дыхания и фосфорилирования в бурой жировой ткани. Она содержит много митохондрий с большим количеством дыхательных ферментов и разобщающего белка термогенина (РБ-1, около 10% всех белков). Разобщение окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду.

У взрослых людей важную роль в термогенезе при переохлаждении играют жирные кислоты. Охлаждение стимулирует выделение норадреналина, который активирует липазу в жировой ткани и гидролиз ТГ. Образующиеся свободные жирные кислоты способны не только быть топливом дыхательной цепи, но и переносить протоны через мембрану в матрикс митохондрий разобщая дыхание и фосфорилирование. Обратно жирные кислоты в ионизированной форме возвращаются с помощью переносчиков.

Дыхательный контроль

В норме субстраты тканевого дыхания и О2 находятся в достаточном количестве и не лимитируют окислительное фосфорилирование. Активность окислительного фосфорилирования ограничивает только концентрация АДФ, которая обратно пропорциональна концентрации АТФ.

При нагрузке концентрация АТФ снижается, а АДФ увеличивается, что ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АТФ увеличивается, а АДФ снижается, что тормозит дыхание и фосфорилирование.

Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30--50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40--60 кг АТФ и столько же распадается.

Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины.

При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет --7,3 ккал/моль.

Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ -- главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ--АДФ -- основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ -- универсальная «энергетическая валюта».

5. Биологическое окисление. Механизмы оксигеназного и свободно - радикального окисления веществ. АОЗ клетки

ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Оксигеназы это ферменты, которые катализируют включение кислорода в молекулу субстрата. Оксигеназы работают в составе мультиферментных комплексов, встроенных в мембрану и участвуют в синтезе и деградации многих типов метаболитов. По способу включения кислорода их делят на: монооксигеназы и диоксигеназы.

Монооксигеназные реакции

Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН2, НАДН2, реже витамин С:

S-Н + О2 + RH2 > S-ОН + Н2О + R (где R = НАДФН2, НАДН2, витамин С)

Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии.

Микросомальные монооксигеназные системы

Катализируют низкоспецифичные реакции. Эти монооксигеназы функционируют в комплексе с различными ЦПЭ:

А. Цепь НАДФН2-Р450 редуктаза - Цитохром Р450

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДФН2.

Субстратами являются гидрофобные вещества экзогенного (лекарства, ксенобиотики) и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и т.д.) происхождения.

Регуляция активности осуществляется индукцией синтеза ферментов. Открыто более 250 веществ-индукторов (барбитураты, спирты, кетоны, стероиды, ароматические углеводороды).

.НАДФН2-Р450 редуктаза. Цитозольный домен содержит 2 кофермента ФАД и ФМН, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДФН2-Р450 редуктаза переносит электроны с НАДФН2 на цитохром Р450.

Цитохром Р450 - интегральный гемопротеин, содержит простетическую группу гем, имеет участки связывания для О2 и субстрата. Открыто 150 генов, кодирующих различные изоформы цитохрома Р450. Каждая из изоформ Р450 имеет много субстратов и отличается от других изоформ Р450 только белковой частью.

Цитохром Р450 передает 2 электрона на 1 атом молекулы кислорода, который превращается в О2-, при взаимодействии с 2 протонами О2- дает воду. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя ROH.

Б. Цепь НАДН2-цитохром b5 редуктаза - Цитохром b5 - стеароил-КоА-десатураза

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДН2.



НАДН2-цитохром b5 редуктаза - двухдоменный белок, цитозольный домен содержит ФАД, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДН2-b5 редуктаза переносит электроны с НАДН2 на цитохром b5.

Цитохром b5. Цитозольный домен содержит гем, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. Цитохром b5 может передавать свои электроны на различные ферменты (цитохром Р450, Стеароил-КоА-десатуразу и т.д.), образуя различные ЦПЭ, при этом он участвует в десатурации и элонгации жирных кислот, в синтезе холестерина, плазминогенов и церамида.

Стеароил-КоА-десатураза - интегральный фермент, содержит негеминовое железо. Катализирует образование 1 двойной связи между 9 и 10 атомами углерода в жирных кислотах. Стеароил-КоА-десатураза переносит электроны с цитохрома b5 на 1 атом кислород, при участии протонов этот кислород образует воду. Второй атом кислорода включается стеариновую кислоту с образованием её оксиацила, который дегидрируется до олеиновой кислоты.

В соединительной ткани монооксигеназы участвуют в гидроксилировании пролина в оксипролин в молекуле коллагена (пролингидроксилазы). Донором протонов и электронов является витамин С. С оксипролином зрелый коллаген приобретает механическую прочность.

2. Митохондриальные монооксигеназные системы

Митохондриальные монооксигеназные системы локализованы на внутренней поверхности внутренней мембране митохондрий и катализируют высокоспецифичные реакции.

Компонентами этих систем могут быть: НАДН2-зависимые ФАД-содержащее редуктазы, Fe2S2-белки (адренодоксин), цитохромы Р450, b5, элонгазы и т.д.

Митохондриальные монооксигеназные системы:

· в коре надпочечников, семенниках, яичниках и плаценте участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина (гидроксилирование по С22 и С20 при отщеплении боковой цепи и по положениям 11в и 18);

· в почках участвуют в синтезе 1,25-диоксихолекальциферола (Витамин Д3) из 25-гидроксихолекальциферола;

· в печени участвуют в синтезе желчных кислот из холестерина;

Диоксигеназные реакции

Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода:

S + О2 > SО2

Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР.

Гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe2+, участвует в катаболизме тирозина:

L-триптофандиоксигеназа печени, содержит гем, участвует в катаболизме триптофана:

ПЕРОКСИДАЗНЫЙ И РАДИКАЛЬНЫЙ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Кислород - потенциально опасное вещество. Молекулярный О2 является бирадикалом (яО::Оя), но он стабилен так как, 2 неспаренных е- внешней орбиты имеют параллельные спины, (подавляют радикальную активность друг друга).

Кислород в составе молекулы Н2О стабилен, потому что его внешняя электронная орбита укомплектована е- (Н:О:Н). Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода (АФК). К активным формам кислорода относятся свободные радикалы кислорода и перекиси. Свободный радикал - свободный атом или частица с неспаренным электроном.

Образование активных форм кислорода

АФК во многих клетках образуются в основном в ферментативных и неферментативных реакциях в результате последовательного присоединения е- к кислороду:

1) О2 + 1е- > О•2 супероксидный анион-радикал (яО::О:).

2) О•2 +1е- > О2-2 пероксидный анион (:О::О:), он быстро протонируется с образованием перекиси водорода О2-2 + 2Н+ > Н2О2 (Н:О::О:Н)

3) Н2О2 + 1е- > НО• + ОН- гидроксильный радикал, ОН- протонируется с образованием воды ОН- + Н+ > Н2О

4) ОН• + 1е- > Н2О (Н:О:Н)

Ферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать ЦПЭ. Утечка е- из ЦПЭ на кислород является основным путем образования АФК в большинстве клеток:

1. В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 е- превращается в свободный радикал семихинон НQ•, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O2 > Q+ О•2 + H+;

2. в монооксигеназных реакциях е- с цитохрома Р450 переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.

3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят е- и Н+ с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз -- оксидазы аминокислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, локализованные в пероксисомах.

Неферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать:

1). Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe2+ или ионов других переходных металлов катализирует образования АФК. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина способствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe2+) + O2 > MetHb(Fe3+) + О•2

H2O2 + Fe2+ > Fe3+ + HO- + HO· (реакция Фентона)

HOCl + Fe2+ > Fe3+ + Cl- + HO· (реакция Осипова)

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О•2 + Н2О2 > О2 + НО• + ОН-

АФК также могут образовываться в организме неферметативно при гомолитическом разрыве связей под действием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение вызывает например, радиолиз воды с образованием Н2; Н2О2 и свободных радикалов: Н·, НО•, О·. Это процесс в основном происходит на поверхности тела - в коже (понятие фотостарения).

Свойства активных форм кислорода

Кислородные радикалы, обладая высокой активностью, разрушают органические молекулы в реакциях свободно-радикального окисления (СРО). Большая часть этих реакций протекает с полиненасыщенными жирными кислотами липидов, и называется перекисным окислением липидов (ПОЛ). Реакции ПОЛ являются цепными.

Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал - сильнейший окислитель. Время его жизни очень короткое (1 миллиардная доля секунды), но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования.

Супероксидный анион-радикал и перекись водорода более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток. Однако, перекись водорода способствует образованию гидроксильного радикала по следующей реакции:

Fe2+ + Н2О2 > Fe3+ + НО• + ОН-

Использование активных форм кислорода в организме

1. Иммунная система. АФК используются фагоцитарными клетками - тканевыми макрофагами, моноцитами и гранулоцитами крови для разрушения бактерий, вирусов и онкоклеток.

§ Фагоциты с участием НАДФН2-оксидазы выделяют супероксидный анион-радикал: НАДФН2 + 2O2 > НАДФ+ + 2О•2 + 2Н+

§ Под действием супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в перекись водорода: 2О•2 + 2H+ > H2O2+ O2

§ Под действием миелопероксидазы H2O2, превращается в гипохлорит - соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток: H2O2 + Cl- > H2O + ClO-.

При дефиците в клетках СОД, ферритина, а в плазме церулоплазмина, трансферрина активируются альтернативные реакции:

Fe3+ + О•2 > Fe2+ + O2

Fe2+ + H2O2 > Fe3+ + НО• + ОН-

Fe2+ + ClO- + H+ > Fe3+ + Cl- + НО•

Фактор некроза опухоли

2. Внутриклеточное пищеварение. В пероксисомах образуются АФК. Когда пероксисомы сливаются с фагосомами, АФК обеспечивают внутриклеточное пищеварение.

Повреждающее действие активных форм кислорода в организме

Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызывают повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. В белках происходит неферментативное окисление аминокислотных остатков гистидина, цистеина, триптофана. Таким образом, инактивируют многие ферменты. Особенно тяжелые последствия имеют повреждение ДНК и липидов. Радикалы НО• вызывают разрыв нитей ДНК, обладая, в зависимости от ситуации, мутагенным, канцерогенным или цитостатическим действием. Радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию ПОЛ, при этом нарушаются физико-химические свойства мембран - проницаемость, рецепторная функция и работа мембранных белков. Повреждение барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций. Свободно-радикальные реакции часто вызывают гибель клеток и целом ускоряют процесс старения организма.

Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

1. Ферментативная антиоксидантная система

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супе-роксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р450 и пероксисом особенно велико.

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О•2 + 2H+ > H2O2+ O2

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu2+ и Zn2+) и в митохондриях (Mn2+) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД -- индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза - геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н2О2 > H2O+ O2

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза -- обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (у-глутамилцистеинилглицин): Н2О2 + 2 GSH > 2 Н2О + G-S-S-G. Глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен.

Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН2:

GS-SG + НАДФН2 > 2 GSH + НАДФ+.

Недостаток глутатиона в клетках, например эритроцитах, который может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы приводит к активации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий.

Фосфолипаза в мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу (LOOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.

2. Неферментативная антиоксидантная система

"Липидные антиоксиданты" - производные фенола, способны инактивировать свободные радикалы в гидрофобном слое мембран и предотвращать развитие ПОЛ. К ним относится б-токоферол (витамин Е), убихинон (коэнзим Q), тироксин и синтетические соединения, например ионол (бутилированный гидрокситолуол).

Витамин Е (б-токоферол) самый распространённый липофильный антиоксидант, он обеспечивает защиту мембран от СРО. Различают 8 типов токоферолов, но б-токоферол наиболее активен. б-Токоферол отдаёт атом водорода радикалу липида ROO•, восстанавливает его до гидропероксида (ROOH), а сам превращается в малоактивный свободный радикал, что прерывает ПОЛ:

Регенерацию б-токоферола осуществляет витамин С.

Свободный радикал витамина Е стабилен и не поддерживает ПОЛ, он взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливает их, а сам превращается в стабильную окисленную форму -- токоферолхинон.

Витамин С ингибирует СРО с помощью двух различных механизмов:

1). восстанавливает в мембранах токоферолхинон до витамина Е:

НО-аскорбат-ОН + б-ТФ-О? > б-ТФ-ОН + НО-аскорбат-О? (семидегидроаскорбиновая к-та)

НО-аскорбат-О? + б-ТФ-О? > б-ТФ-ОН + О=аскорбат=О (дегидроаскорбиновая к-та)

Регенерация аскорбиновой кислоты идет с участием ферментативных систем:

а). В микросомах, с участием комплекса НАДН2-редуктаза-цитохром b5:

2НО-аскорбат-О? + НАДН2 > 2НО-аскорбат-ОН + НАД+

б). В митохондриях, с участием НАДН2-семидегидроаскорбатредуктазы:

2НО-аскорбат-О? + НАДН2 > 2НО-аскорбат-ОН + НАД+

в). В цитозоле, с участием НАДФН2-дегидроаскорбатредуктазы:

О=аскорбат=О + 2НАДФН2 > НО-аскорбат-ОН + 2НАДФ+

г). В цитозоле, с участием GSH-дегидроаскорбатредуктазы:

О=аскорбат=О + 2GSH > НО-аскорбат-ОН + GS-SG

2). взаимодействует с активными формами кислорода -- О•2, Н2О2, НО• и инактивирует их.

в-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием и ин-гибирует ПОЛ.

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, самое главное, не дают ему возможности приникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплексы, в силу своей полярности, не проникают в гидрофобную зону.

Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует, по-видимому, целая система окисления и связывания ионов железа. В плазме крови эта система представлена ферментом церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Fe2+ до Fe3+ кислородом без образования свободных радикалов, и белком трансферрином, который связывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, которые затем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисляется и депонируется в окисленной форме внутри ферментного белкового комплекса ферритина.

Размещено на Allbest.ru

...