Юнона
Зарегистрированный пользователь
Из: планета Земля)
Сообщения: 218
|
 |
Лекция №7 Биологическое окисление |
|
| Отправлен: 02-12-2014 18:06 |
|
|
Лекция №7 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 S + 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:
Этот хемиосмотический процесс сопрягает энер¬гию окисления метаболитов с производством АТР на внутренней митохондриалыюй мембране. Энер¬гия, которая получается в результате окисления пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к образованию NADH и FADH2 из NAD+ и FAD, на¬капливается в виде электронов или восстанавли¬вающих эквивалентов.
Эти электроны, в конце кон¬цов, 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, высво¬бождаемая 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.
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), FeS – белки (содержат от 2 до 6 ионов железа, образующих комплексы различного состава с неорганическим сульфидом и SH-группами остатков цистеина), 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.
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.
Во второй комплекс входят FAD — зависимая сукцинатдегидрогеназа и FeS белки. FAD — зависимая дегидрогеназа, с одной стороны, является ферментом цитратного цикла, локализованным в мембране митохондрии, она передает водород от субстрата на акцептор — кофермент FAD, который прочно связан с ферментом как простетическая группа. Основная функция – перенос электрона, полученных при окислении сукцината в цикле Кребса на 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.
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 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.
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. 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 меняет 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.
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.
В митохондриях на 3 участках окислительной цепи происходит выделение протонов во внешнюю среду (комплексы I, III, IY). Соответственно 3 реакции ведут к образованию H+.
В начале 60 –х годов ХХ века П. Митчелл выдвинул гипотезу о механизме переноса Н+. В соответствии с этой гипотезой, при восстановлении переносящего комплекса происходят конформационные измене¬ния, которые активируют протон — связывающий участок, расположенный на матриксной стороне внутренней мембраны. При окис¬лении переносчика его конформация изменяется та¬ким образом, что Н+- связывающий участок оказывается на противоположной стороне мембра¬ны. В то же время сродство этого участка к протону уменьшается, и протон высвобождается в межмем¬бранное пространство.
Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая — внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности
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.
Н+-транслоцирующая АТФ-синтаза состоит из двух частей: встроенного в мембрану протонного канала (F0) из по меньшей мере 13 субъединиц и каталитической субъединицы (F1), выступающей в матрикс. «Головка» каталитической части образована тремя α- и тремя β-субъединицами, между которыми расположены три активных центра. При каждом переносе протона через белковый канал F0 в матрикс все три активных центра катализируют очередную стадию реакции. Вначале идет связывание АДФ (ADP) и Ρi (1), затем образуется фосфоангидридная связь (2) и, наконец, освобождается конечный продукт реакции (3).
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 сукцината, водород переносится на убихинон, возможны только 2 фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где локализован первый генератор DmH+. Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число функционирующих протонных помп в дыхательной цепи.
При участии фермента АТФ-АДФ транслоказы АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ по типу антипорта.
Главным фактором, регулирующим скорость дыхания и фосфорилирования, являются энергетические потребности организма. Основная масса восстановленных эквивалентов для дыхательной цепи поступает из общих путей катаболизма. Следовательно, регуляция общих путей катаболизма и дыхательной цепи тесно связана. Все контролирующие механизмы осуществляются на уровне ферментов и многие из них с помощью аллостерических эффекторов. Для оценки энергетического состояния клетки используют величину энергетического заряда, отражающего соотношение концентрации ATP к продуктам ее распада — ADP и AMP. При увеличении энергетического заряда в клетке (в состоянии покоя) скорость реакций общих путей катаболизма снижается, а при уменьшении энергетического заряда — увеличивается. Это достигается тем, что ATP действует как аллостерический ингибитор, а ADP и AMP — как аллостерические активаторы некоторых ферментов:
Простой механизм регуляции образования и потребления АТФ (АТР) называется дыхательным контролем. Если клетка не расходует АТФ, то в митохондриях отсутствует АДФ. В отсутствие АДФ АТФ-синтаза не в состоянии использовать протонный градиент на внутренней митохондриальной мембране. Это в свою очередь тормозит электронный перенос вдыхательной цепи, вследствие чего НАДН не может регенерирован. Возникающее в результате высокое соотношение НАДН/НАД+ тормозит цитратный цикл.
Если создание протонного градиента подавлено, процессы окисления субстрата и переноса электронов протекают значительно быстрее, чем обычно. При этом вместо синтеза АТФ выделяется тепло.
Существуют ингибиторы (KCN, барбитураты, ротенон), блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов.
2.Понятие о гипоэнергетических состояниях
Вещества, которые функционально разделяют между собой окисление и фосфорилирование, называются разобщающими агентами. Они содействуют переносу протонов из межмембранного пространства в матрикс без участия АТФ-синтазы. Разобщение может возникать, например, в результате механического повреждения внутренней мембраны или действия таких веществ, как 2,4-динитрофенол, являющихся переносчиками протонов через мембрану.
Природным разобщающим агентом является термогенин, протонный канал в митохондриях бурых жировых клеток. Бурый жир обнаружен у новорожденных и животных, впадающих в зимнюю спячку и служит для теплообразования. Благодаря интенсивному распаду жира в организме образуется большое количество свободных жирных кислот, которые окисляются в дыхательной цепи. Так как жирные кислоты одновременно открывают протонный канал термогенина, их распад не зависит от наличия АДФ, т. е. протекает с максимальной скоростью и генерирует энергию в форме тепла.
www.chemport.ru/
|
|
|
Сейчас посетителей на форуме: 10 Гости
Всего сообщений: 131689
Всего тем: 2572
Зарегистрировано пользователей: 32982
Страница сгенерирована за: 0.1989 секунд
|
|
|
|
|
|
