Энергетический обмен. Синтез АТФ

Биологическое значение ЦТК

Главная роль ЦТК - образование большого количества АТФ.

1. ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О.

2. ЦТК - это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):

- из цитрата -------> синтез жирных кислот

- из aльфа-кетоглутарата и ЩУК ---------> синтез аминокислот

- из ЩУК ----------> синтез углеводов

- из сукцинил-КоА -----------> синтез гема гемоглобина

Сопряжение общих путей катаболизма с дыхательной цепью

В общих путях катаболизма происходит пять реакций дегидрирования: одна на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата и четыре в цитратном цикле. Все 10 атомов водорода переносятся на коферменты дегидрогеназ, которые в свою очередь окисляются в дыхательной цепи. Окисленные коферменты возвращаются в реакции общих путей катаболизма. Регенерация коферментов - это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования. Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь непрерывно связаны между собой и отдельно функционировать не могут.

Более важно, с точки зрения образования АТР, что большая часть энергии, высвобождаемой при окислительных реакциях в цикле Кребса, «запасается» в электронах, переносимых NADH и FADH₂. Электроны, временно «удерживаемые» этими двумя соединениями, быстро переносятся в дыхательную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрий.

метаболизм энергетический обмен окисление

2. Биологическое окисление

Окисление органических веществ в организме кислородом с образованием воды и СО₂ называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает а) отнятие водорода от субстрата (дегидрирование) т б)многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Тканевое дыхание и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Процесс окисления можно представить следующим уравнением: SH₂ + 1/2 O₂ аS + H₂O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом. Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP (рис.7).

Синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительным фосфорилированием:

Хемиосмотическое сопряжение.

В начале 60 -х годов ХХ века П. Митчелл постулировал несколько важных идей

1. Энергия, высвобождаемая при окислении метаболита, содержится в митохондрии в виде восстанавливающих эквивалентов (-Н, е^-), которые направляются в дыхательную цепь. Здесь электроны проходят но редокс - градиенту переносчиков электронов к своей последней реакции с молекулярным кислородом, в ходе которой образуется вода

2.Комплексы редокс-переносчиков сгруппированы на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов на различные ступени редокс-градиента, используется для выкачивания протонов из матрикса и образования электронов и образования электрохимического потенциала на внутренней митохондриальной мембране.

3. Митохондриальная АТР-синтаза переносит протоны через мембрану. При наличии электрохимического протонного градиента протоны будут двигаться из межмембранного пространства назад в матрикс, при том образуется АТР из ADP.

Общая характеристика этапов хемиосмотического процесса

Этот хемиосмотический процесс сопрягает энергию окисления метаболитов с производством АТР на внутренней митохондриалыюй мембране. Энергия, которая получается в результате окисления пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к образованию NADH и FADH₂ из NAD⁺ и FAD, накапливается в виде электронов или восстанавливающих эквивалентов.

Эти электроны в конце концов соединяются с кислородом для производства АТР в процессе окислительного фосфорилирования.

Когда электроны, запасенные в форме NADH и FADH₂, высвобождаются, они транспортируются по дыхательной цепи, расположенной на внутренней митохондриальной мембране.

Энергия, высвобождаемая при переходе с одного переносящее комплекса на другой, выкачивает Н⁺ из матрица через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Этот процесс создает на внутренней митохондриальной мембране электрохимический протонный градиент. Теперь концентрация протонов выше в межмембранном пространстве, поэтому протоны перетекают по протонному градиенту (направляемые частично отрицательным зарядом со стороны матрикса) обратно в матрикс. Это приводит в действие мембрано- связанную АТР-синтазу, которая превращает ADP и Рi в АТР.

Цепь транспорта электронов - ЦТЭ

В процессе транспорта электронов от исходного донора электронов SH₂ к терминальному акцептору - О₂ участвуют промежуточные переносчики. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD⁺ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁, С, А, А₃) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы или комплексы.

Комплекс I

В первый комплекс входят НАДН-дегидрогеназа, FMN и FeS - белки, содержащие негеминовое железо.

НАДН- зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD⁺ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода. Переносчиком водорода является кофермент - FMN. В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем через FeS - белки передается на убихинон.

Основная функция - перенос электрона с НАДН на убихинон

Осуществляет перемещение Н⁺ в межмембранное пространство.

Комплекс II

Во второй комплекс входят FAD - зависимая сукцинатдегидрогеназа и FeS белки. FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента.

Основная функция - перенос электрона, полученных при окислении сукцината в цикле Кребса на убихинон

Убихинон

Кофермент Q или убихинон - небелковый компонент - производное изопрена. Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе.

Основная функция -переносчик электронов на цитохромы.

Комплекс III

QН₂-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С₁. Также в состав этого комплекса входят FeS - белки. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С.

Цитохромы - это гемопротеины - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С.

Основная функция - перенос электронов на цитохром с

Осуществляет перемещение Н⁺ в межмембранное пространство.

Цитохром С

Цитохром С - низкомолекулярный гемсодержащий белок, обладающий подвижностью в липидном слое мембраны.

Комплекс IY

В четвертый комплекс входят цитохромоксидаза, цитохромы а, а₃ и двухвалентная медь.

Основная функция - перенос электронов от цитохрома с до воды. Осуществляет перемещение Н⁺ в межмембранное пространство.

Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD - зависимой или FAD - зависимой. В первом случае донорами водорода выступают изоцитрат, a - кетоглутарат, малат, а также пируват и глутамат.

Во втором случае сукцинат, ацил-КоА и a - глицерофосфат. Если процесс начинается с NAD⁺ , то следующим переносчиком будет FMN.

От FMN протоны и электроны переносятся к коферменту Q. FAD - зависимыме дегидрогеназамы переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. Дальше пути электронов и протонов расходятся.

Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃. Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны:

Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород.

Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Окислительное фосфорилирование

Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования

Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н⁺)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Таблица 1

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н⁺-АТР-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны. При участии фермента АТФ-АДФ транслоказы АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ по типу антипорта.

АТФ-синтетаза имеет сложное строение и состоит из 2 компонентов: F_о и F₁. F_о погружен в липидный бислой, состоит из большого числа субъединиц и предположительно формирует Н⁺- переносящий канал. F₁ осуществляет синтез АТФ.

Поскольку синтез молекулы АТФ связан, как минимум, с переносом 2 протонов через АТФ-синтазу, а при окислении НАД(Ф)-H₂ молекулярным кислородом, т. е. поступлении 2 электронов на 1/2O₂ выделяются 6H⁺, максимальный выход АТФ в этом .процессе составляет 3 молекулы. При окислении янтарной кислоты, водород которой переносится на сукцинатдегидрогеназу и далее на убихинон, возможны только 2 фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где локализован первый генератор Dm_H⁺. Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число функционирующих протонных помп в дыхательной цепи.

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров. Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал, и синтез АТР становится невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы - тироксин, а также некоторые антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.

Дыхательный контроль

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов. Ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу. Антимицин А (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому c₁. Цианид, окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов a + a₃ на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. Если блокировать перенос электронов в электронтранспортной цепи определенными ингибиторами, то переносчики, находящиеся на участке от субстрата до места действия ингибитора, будут в восстановленной, а переносчики за местом действия ингибитора - в окисленной форме.

Энергетика цитратного цикла и общих путей катаболизма

За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул АТР. Девять из них образуются за счет энергии транспорта в дыхательной цепи трех пар водорода от трех молекул NADH + H⁺. Две молекулы АТР синтезируются при окислении 1 молекулы FADH₂, так как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения с окислительным фосфорилированием ADP. Кроме того, в цитратном цикле образуется 1 моль GTP (АТР).

Синтез ГТФ происходит в реакции, катализируемой сукцинатдегидрогеназой. В этой реакции донором энергии для синтеза макроэрга является молекула субстрата. Такой способ синтеза называется субстратным фосфорилированием.

Субстратное фосфорилирование в отличие от окислительного происходит без участия ЦПЭ и кислорода. Такой способ синтеза АТФ происходит и в некоторых других метаболических путях.

Затем ГТФ может трансформироваться в АТФ при действии нуклеозиддифосфаткиназы: ГТФ+АДФ « АТФ+ГДФ.

В общих путях катаболизма синтезируется 15 молекул АТР. Три из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 - в цитратном цикле.

3. Регуляция энергетического обмена

Синтез АТР в клетке регулируется потребностью в энергии, что достигается согласованной регуляцией скоростей реакций ЦПЭ и ОПК.

Увеличение концентрации ADP ускоряет окисление NADH в ЦПЭ, что приводит к увеличению скорости реакций, катализируемых регуляторными НАД⁺ - зависимыми ферментами, и к увеличению скорости общего пути катаболизма в целом (рис. 9). Кроме этого, ADP аллостерически активирует регуляторные ферменты ОПК. Такая согласованная регуляция ЦПЭ и ОПК приводит к тому, что вместо использованных молекул АТР синтезируется адекватное количество новых; чем больше использовано АТР, тем больше его синтезируется.

Скорость ОПК регулируется на уровне 4 реакций, катализируемых:

пируватдегидрогеназным комплексом;

цитратсинтазой;

изоцитратдегидрогеназой;

a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Регуляцию скорости ОПК осуществляя сколько механизмов:

1. аллостерическая регуляция - каждый регуляторный фермент имеет аллостерические эффекторы, концентрация кои изменяется в зависимости от состояния клетки;

2.увеличение активности фермента при высоких концентрации субстрата (например, пируват наиболее эффективный активатор пируватгидрогеназного комплекса);

3.ингибирование фермента продуктами peaкции: пируватдегидрогеназный комплекс инибируется ацетил-КоА и НАДН, цитратсинтаза - цитратом;

4. фосфорилирование и дефосфорилирование ПДК (рис. 1).

Наиболее сложна регуляция ПДК. Реакция, катализируемая ПДК, связывает между co6oй такие метаболические пути, как гликолиз (распад глюкозы), глюконеогенез (синтез глюкозы), синтез жирных кислот, окисление жирных кислот и цикл Кребса. Можно сказать, что реакции, катализируемые ПДК, представляют собой большой биохимический перекресток.

В составе ПДК содержатся 2 регуляторные субъединицы: киназа и фосфатаза. Киназа фосфорилирует ПДК и переводит его в неактивную форму, фосфатаза отщепляет фосфорный остаток от ПДК и переводит его в активную форму. Киназа ПДК аллостерически активируется АТФ, НАДН и ацетил-КоА, а ингибируется пируватом, АДФ, НАД, HSKoA, Са²⁺ (рис. 2).

Рис. 1. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Рис. 2 Регуляция общего пути катоболизма

Киназа ПДК аллостерически активируется НАДН, ацетил-КоА и АТФ, следовательно, при их накоплении прекращается дальнейшее превращение пирувата в ацетил-КоА. Такая ситуация создается, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, в митохондриях в результате специфического пути их катаболизма накапливается большое количество ацетил-КоА и НАДН. Пируват при этом не окисляется и может быть использован для синтеза глюкозы (глюконеогенеза).

Киназа ПДК аллостерически иигибируется пируватом, AДФ, HSKoA, Са²⁺. В абсорбционный период глюкоза поступает в клетки и распадается с образованием пирувата. Высокая концентрация пирувата действует на ПДК двумя способами:

* поддерживает ПДК в нефосфорилированной активной форме, так как это наиболее сильный ингибитор киназы ПДК;

* аллостерически активирует нефосфорилированную активную форму ПДК, действуя согласованно с другими активаторами - субстратами реакций - НАД⁺ и HSKoA. В результате создаются условия для образования ацетил-КоА из глюкозы. Ацетил-КоА может окисляться в ЦТК; в печени и жировой ткани часть ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот.

Регуляция ионами Ca²⁺ особенно важна в мышцах. Потенциал действия увеличивает концентрацию Ca²⁺ в митохондриях, что одновременно ингибирует киназу и активирует фосфатазу; это быстро переводит ПДК в активную нефосфорилированную форму. Одновременно Са²⁺ активирует регуляторные ферменты ЦТК, и ацетил-КоА быстро окисляется, обеспечивая синтез АТР для работы мышц.

В адипоцитах инсулин, действуя через мембранные рецепторы, приводит к увеличению концентрации Ca²'¹' в митохондриях, что активирует фосфатазу ПДК и переводит его в активное нефосфорилированное состояние. В результате создаются условия для превращений: пируват ® ацетил-КоА ® жирные кислоты ® жиры, т.е. из продуктов распада глюкозы синтезируются жиры - основная форма запасания энергии в организме.

Регуляция ОПК дает возможность переключать метаболические пути, например в абсорбционный период продукты катаболизма глюкозы в печени используются для синтеза жиров, окисление жирных кислот в печени при голодании делает возможным использование пирувата для синтеза глюкозы.

Гипоэнергетические состояния - это разнообразные по этиологии состояния, при которых снижается синтез АТФ.

Наиболее частые причины гипоэнергетических состояний:

1. гипоксия, возникновение которой в свою очередь связано с нарушением:

? поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О₂ во вдыхаемом воздухе или нарушении легочной вентиляции;

? транспорта кислорода в ткани при нарушении кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

? функций митоходрий, вызванное действием ядов, разобщителей.

2. гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины.

3. голодание (отсутствие пищевых веществ - субстратов окисления) также являетя причиной гипоэнергетического состояния. При длительном голодании уменьшается потребление кислорода тканями, так как снижена скорость реакций ЦТК.

Размещено на Allbest.ru