Разное / биологическое окисление
.pdfГ л а в а 4
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Основные вопросы, рассматриваемые в настоящей главе
1.Понятие о метаболизме
2.Пути утилизации энергии в организме
3.Механизмы ресинтеза АТФ
4.Биологическое окисление
4.1.Пути биологического окисления
4.2.Основные типы реакций, протекающих с участием кислорода
4.3.Основные положения теории окислительно-восстанови- тельных реакций
4.4.Дыхательная цепь и витамины, участвующие в процессе
биологического окисления 4.4.1.Витамин РР
4.4.2.Пиридиновые дегидрогеназы
4.4.3.Витамин В2
4.4.4.Флавиновые дегидрогеназы
4.4.5.Коэнзим (убихинон
4.4.6.Цитохромная система
4.4.7.Железосерные белки
4.5.Структурная функциональная организация дыхательной цепи в митохондриях
5. Окислительное фосфорилирование
5.1Сопряжение фосфорилирования с транспортом электронов по дыхательной цепи
5.2.Механизм окислительного фосфорилирования (теория Митчелла)
5.3.Регуляция окислительного фосфорилирования
5.4.Разобщение окисления и фосфорилирования
6.Пероксидазный тип окислительных реакций
6.1.Цианрезистентное дыхание
6.2.Каталаза и пероксидаза
7.Оксигеназный тип окислительных реакций
7.1.НАДФН2–зависимое гидроксилирование
7.2.Аскорбат-зависимое гидроксилирование
8.Фазы освобождения энергии из питательных веществ
9.Общий путь катаболизма
9.1.Окислительное декарбоксилирование пирувата
9.2.Витамины, участвующие в этом процессе
81
9.2.1. Витамин В1 9.2.2.Пантотеновая кислота 9.2.3.Липоевая кислота
9.3.Цикл трикарбоновых кислот Кребса
9.3.1.Значение ЦТК в метаболизме клетки
9.3.2.Характеристика реакций цикла трикарбоновых кислот
9.3.3.Анаболические реакции цикла трикарбоновых кислот
9.3.4.Регуляция цикла трикарбоновых кислот
9.3.5.Причины нарушения цикла трикарбоновых кислот Вопросы для проверки усвоения
82
4.1.Понятие о метаболизме
Одним из основных отличий живых организмов от неживой природы является обмен веществ (метаболизм).
Обмен веществ – совокупность химических реакций, направленных на сохранение и самовоспроизведение живых систем
Различают две стороны обмена веществ – анаболизм и катаболизм
Анаболизм – синтез сложных молекул из более простых, направленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клеток и тканей. Анаболические процессы являются ЭНДЕРГОНИЧЕСКИМИ, т.е. протекают с затратой свободной энергии.
Катаболизм – расщепление сложных молекул до более простых компонентов или конечных продуктов – СО2 и Н2О. При этом выделяется свободная энергия (ЭКЗЕРГОНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ), которая используется как для обеспечения анаболических процессов, так и для осуществления физиологических функций.
Эти две стороны метаболизма неразрывно связаны друг с другом. Однако ведущее значение принадлежит экзергоническим реакциям, поскольку их нарушение может привести также и к ослаблению анаболических процессов, сопровождающихся затратой свободной энергии.
А н а б о л и з м Синтез и обновление
структурных компонентов
ПИТАТЕЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ ВЕЩЕСТВА
К а т а б о л и з м
Распад до СО2 и Н2О выделение энергии
Осуществление физиологических функций
Рис. 15. Взаимосвязь анаболических и катаболических процессов.
83
4.2. Пути утилизации энергии в организме
Энергия, освобождающаяся при распаде веществ, постоянно расходуется в клетках и тканях для поддержания жизнедеятельности организма.
ФИЗИЧЕСКАЯ РАБОТА (мышечное сокращение) РАСХОД ХИМИЧЕСКАЯ РАБОТА (синтезы хим. соединений) ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАБОТА (мембранный потенциал)
ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА (распределение жидкости внутри и вне клеток)
Даже в условиях полного покоя организм постоянно потребляет энергию, расходуя 1 кал/кг/час, т.е. 1500-2000 кал в сутки. При умственной и особенно при физической работе затраты энергии увеличиваются, составляя 3-5 тысяч кал/сутки.
Энергия, освобождаемая в процессах окисления питательных веществ, частично (50%) выделяется в виде тепла, а частично (50%) аккумулируется в макроэргических связях АТФ.
Для реакции фосфорилирования АДФ, т.е. образования одной молекулы АТФ необходимо не менее 7,3 ккал/моль (30,2 кДж/моль).
В молекуле АТФ содержатся две МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ (обогащенные энергией) связи.
Молекула АТФ является универсальным донором свободной энергии, а не формой её депонирования
В клетке 1 молекула АТФ распадается в течение одной минуты после её образования. В состоянии полного покоя человек расходует за 24 часа 40 кг АТФ, а при физической нагрузке скорость утилизации АТФ возрастает до 0,5 кг в 1 минуту.
Основным путем освобождения энергии АТФ:является её гидролиз до АДФ и фосфорной кислоты АТФ + Н2О АДФ + Р + энергия;
( Р – остаток фосфорной кислоты)
При гидролизе макроэргической связи АТФ выделяется от 40 до 60 кДж/моль (в среднем 50 кДж/моль).
4.3. Механизмы синтеза АТФ
Быстрый расход АТФ требует постоянного ресинтеза этого макроэрга в клетках, обеспечивающего возможность её интенсивной утилизации в организме.
Различают 2 механизма ресинтеза АТФ:
84
а) окислительное фосфорилирование – образование АТФ за счет освобождения и аккумуляции энергии, выделяемой в процессе окисления питательных веществ. Этот механизм протекает в митохондриях и является основным путем образования АТФ.
б) субстратное фосфорилирование – образование АТФ за счет энергии, заключенной в высокоэнергетических соединениях. (макроэргических субстратах). Этот механизм имеет второстепенное значение, не сопряжен с окислительным распадом веществ, протекает в основном в цитоплазме. К субстратам, богатым энергией, относятся фосфоглицериновая кислота, фосфоэнолпируват (ФЭП), сукцинил-СоА, креатинфосфат, и ряд других.
4.4. Биологическое окисление
Биологическое окисление в организме может протекать двумя путями:
а) путем дегидрирования – отщепления протонов и электронов от окисляемого субстрата. В зависимости от условий (аэробных или анаэробных) акцептором протонов и электронов может быть либо кислород, либо пируват, который восстанавливается в лактат. Аэробный путь окисления протекает в митохондриях и связан с процессами образования АТФ.
Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся поглощением кислорода и выделением воды и углекислого газа называется тканевым дыханием
б) путем непосредственного присоединения кислорода к молекуле окисляемого субстрата. Этот путь протекает в микросомальной фракции, не связан с образованием АТФ и участвует в пластических и детоксикационных процессах, протекающих в организме.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
путем дегидрирования |
путем присоединения |
|
|
|
кислорода |
|
|
(микросомальное |
|
|
окисление) |
в аэробных |
в анаэробных |
|
условиях |
условиях |
|
акцептор водорода |
акцептор водорода |
|
- кислород |
- пируват |
|
(конечный продукт-) |
(конечный продукт- |
|
Н2О |
|
лактат) |
Рис.16. Пути биологического окисления.
85
4.4.2.Основные типы реакций, протекающих с участием кислорода
Кислород, акцептируя протоны и электроны от окисляемого субстрата, восстанавливается до различных конечных продуктов в зависимости от количества электронов, присоединяемых к его молекуле.
Различают 4 основных типа окислительных реакций:
1. Оксидазный, локализированный на внутренней мембране митохондрий. При этом молекула кислорода восстанавливается до молекулы воды за счет присоединения к нему 4 электронов и 4 протонов. Так как от окисляемого субстрата отщепляется лишь 2 электрона и 2 протона, то в реакции участвует 1/2 молекулы кислорода.
RH2 + 1/2 O2 2Н+ 2е R + H2 O
Этот тип реакций является основным путем биологического окисления, в котором используется 90 % поглощенного кислорода.
2. Пероксидазный, протекающий в основном в пероксисомах, продуктами которого являются окисленный субстрат и пероксид водорода. При этом молеклула кислорода восстанавливается путем присоединения к нему двух протонов и двух электронов и поэтому конечным продуктом этого пути окисления является не вода, а перекись водорода.
RH2 + O2 R + H2O2
3. Пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот (перекисное окисление липидов). При одноэлектронном восстановлении около 2% поглощенного кислорода превращаются в супероксидный анион, который отличается высокой активностью и инициирует перекисное окисление липидов.
О2 + е |
О2- |
RH + O2- |
R O O H |
4. Оксидазный, протекающий в микросомах (мембранах эндоплазматического ретикулума, рибосомах и др.) при участии моноили диоксигеназ, катализирующих включение либо одного, либо обоих атомов кислорода непосредственно в молекулу окисляемого субстрата.
R + O2 RO2
RH2 + O = O + S |
R + H2 O + SO |
(RН2 – донор водорода, S – окисляемый субстрат)
86
Этот путь окисления не приводит к образованию АТФ; он участвует в биосинтетических и детоксикационных процессах.
4.4.3. Основные положения теории окислительно-восстановительных реакций
1) Процесс окисления связан с транспортом водорода (электронов и протонов) от окисляемого субстрата на кислород. Соединения, отдающие электроны, называются восстановителями (донорами электронов), а соединения, присоединяющие электроны – окислителями (акцепторами электронов).
2) Окислители и восстановители всегда функционируют как единые сопряженные окислительно-восстановительные (редокс) системы.
+e
Fe3+ -е Fe2+
окислитель восстановитель
3)Каждая окислительно-восстановительная система характеризуется стандартной величиной окислительно-восстановительного (редокс) потенциала, которая характеризует ее сродство к электрону.
4)Чем больше у системы отрицательная величина редокс-потенциала, тем она более легко отдает электроны и, наоборот, чем выше положительная
величина, тем она легче присоединяет электроны.
Субстраты окисления (Н2/2Н+) характеризуются большой величиной отрицательного потенциала, а кислород (О2 /Н2 О) – положительного.
5) Перенос электронов с одного соединения на другое может осуществляться только в том случае, если эти вещества имеют близкие величины редокс-потенциалов.
6) Перенос электронов от одного вещества к другому сопровождается уменьшением величины свободной энергии.
4.4.4.Оксидазный тип окисления. Дыхательная цепь
Ввиду того, что редокс потенциал окисляемого субстрата (Н2 /2Н+) составляет – 0,42 в., а О2 (О2 /Н2О) - + 0,82 в. (разница – 1,24 в.), электроны от окисляемого вещества не могут быть непосредственно перенесены на кислород.
|
|
|
в |
|
|
|
1,24 |
|
|
|
RH2 |
|
|
O2 |
- 0,42 в |
|
|
+ 0,82 в |
87
В связи с этим перенос электронов от окисляемого субстрата к кислороду осуществляется через ряд промежуточных переносчиков протонов и электронов, имеющих близкие величины редокс-потенциалов и получивших название дыхательной цепи.
Дыхательная цепь включает:
1)пиридиновые дегидрогеназы, в состав коферментной группы которых входит НАД;
2)флавиновые дегидрогеназы, содержащие в качестве простетической группы ФАД или ФМН;
3)СоQ или убихинон;
4)цитохромную систему;
5)железо-серные белки (железо-серные комплексы)
Так как в состав первых двух компоненотов дыхательной цепи входят производные витаминов, целесообразно вначале дать характеристику структуры, свойств и биологической роли витаминов РР и В2 .
4.4.4.1. Витамин РР (никотинамид, ниацин, витамин В5, антипеллагрический витамин)
Химическая структура.
В 1937г. было установлено, что известная с 1867г. никотиновая кислота оказывает выраженный эффект при лечении пеллагры, а позднее было выявлено, что более сильной биологической активностью обладает ее амид.
- СООН |
- СОNH2 |
N |
N |
никотиновая кислота |
амид |
( -пиридинкарбоновая) |
никотиновой кислоты |
Физико-химические свойства. Витамин РР – белое кристаллическое вещество, устойчивое к действию факторов внешней среды, хорошо выдерживающее длительное кипячение. Мало растворим в воде, но хорошо растворяется в щелочах.
Источники витамина и потребность. Источниками витамина РР являются отруби, дрожжи, злаки, печень. Хотя в молоке витамин Р отсутствует, он может синтезироваться (из 60 молекул триптофана образуется одна молекула никотинамида). Поэтому и другие продукты, богатые триптофаном (например, яйца), могут устранить дефицит витамина РР в организме, хотя сами не содержат этого витамина.
88
Суточная потребность в витамине РР составляет 15 – 25 мг.
Превращения в организме. Витамин РР всасывается в желудке и тонком кишечнике путем простой диффузии. С током крови он доставляется в ткани, где превращается в НАД или НАДФ; в их составе витамин РР содержится внутри клетки, так как НАД и НАДФ не проходят через биологические мембраны. При распаде этих коферментов никотинамид освобождается и выделяется с мочой в виде N+- метилникотинамида
- СОNH2
N+ - метилникотинамид
N+ – СН3
Биологическая роль. Участие витамина РР в биохимических процессах реализуется через НАД и НАДФ.
НАД – никотинамидадениндинуклеотид – состоит из адениловой кислоты и никотинамидного нуклеотида.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
аденин – рибоза – р |
|
|
аденин – рибоза – р |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
- |
|
СОNH2 |
|
|
|
- CОNH2 |
||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
N+ |
|
|
|
|
рибоза – р |
N+ |
|
|
рибоза – р |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
НАД |
|
|
|
НАДФ |
В составе НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфата - содержится дополнительный остаток фосфорной кислоты, эстерифицирующий вторую гидроксильную группу рибозы адениловой кислоты.
Биологическая роль НАД и НАДФ заключается в следующем:
1.Они являются коферментами пиридиновых дегидрогеназ (НАД- и
НАДФ-зависимых): НАД – зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах окисления ряда субстратов путем переноса атомов водорода от окисляемого субстрата посредством дыхательной цепи митохондрий, на кислород и таким образом выполняют выполняют энергетическую функцию;
89
2.НАДФ – зависимые дегидрогеназы участвуют в микросомальном окислении; выполняют пластическую и дезинтоксикационную функцию.
3.НАД и НАДФ являются не только переносчиками водорода, но и
аллостерическими эффекторами ряда ферментов,.в частности, де-
гидрогеназ цикла трикарбоновых кислот)
4.НАД в качестве субстрата ДНК-лигазной реакции участвует в процессах репликации и репарации ДНК, обеспечивая нормальное деление клеток быстро пролиферирующих тканей (кожи, слизистых оболочек и др.)
Проявления недостаточности.
При недостатке витамина РР развивается пеллагра (pelle agra-шершавая кожа), в связи с чем и возникло название витамина (pp - preventive pellagraпредотвращающий пеллагру).
Пеллагра проявляется рядом симптомов, начинающихся на букву Д.
Дерматит Пеллагра Диарея
Деменция
Дистрофия
Дерматиты характеризуются симметричным расположением и локализуются на открытых участках тела;
Диарея. У больного появляются тошнота, боли в области живота, поносы. Слизистая оболочка толстого кишечника воспаляется, а затем изъязвляется. Присоединяются гингивиты, стоматиты, обезвоживание организма.
Деменция. Нарушения со стороны центральной нервной системы проявляются депрессией, а при прогрессировании заболевания – деменцией (слабоумием). Характерны головные боли, головокружение, повышенная раздражительность, галлюцинации и т. д.
Дистрофия. Нарушение питания, резкое понижение массы тела особенно часто наблюдаются в детском возрасте.
Гипервитаминоз РР. Характеризуется развитием жировой инфильтрации печени. Ее патогенез обусловлен усиленным выделением метильных групп из организма в составе N+-метилникотинамида. Это приводит к нарушению биосинтеза холина, входящего в состав фосфатидилхолинов, предотвращающих синтез жира в печеночных клетках
4.4.4.2 .Пиридиновые дегидрогеназы
Пиридиновые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента НАД – никотинамидадениндинуклеотид. Являются первичными дегидрогеназами, акцептируют атомы водорода непосредственно от окисляемых субстратов (редокс потенциал НАД/НАДН2 равен – 0,32в).
90