Эталоны БХ

- 71 -

роэргичоскую СВЯЗЬ, ЯВЛЯЮТСЯ Ь№КР0ЭрГЦЧеСКИГ4й (макроэрг^и). ЛримсрМ этих соединений: АТФ, АДл другие нуклооэидтри^ос-^аты, креатинфосцжт. фос<;оенолпнруцат, 1,3-бисфосфоглицерат, ацетял-КоЛ, сукцинил-КоЛ и др.

7. Адениловой (адснилатной) системой называют совокупность АТФ, АДФ, неорганического фосфата и ионов магния, функционирующую как био­ логический аккумулятор энергии, освобождающейся в окиелмтольнмх роакциях катаболизма, который обеспечивает энергией все работающие меха­ низмы клеток.

АТФ это непосредственный источник энергии для большинства эндэргокическнх биологических систем, то есть это универсальное биологи­ ческое горючее. АТФ является посредником в Использовании энергии элек­ тронов органических субстратов жнвьми клетками, это подвижный, пере­ мещающийся в клетке источник химической энергии.

ни" АТФ, измеряемое периодом полуоборота концевой фосфатной группы, не провисает у высших организмов 1-2 минут. За сутки в организме взро­

слого человека суммарно синтезируется (и распадается) несколько десят­ ков килограммов АТФ.

8 . Цепь транспорта электронов (дыхательная цепь) представляет со­ бой биохшлическую систему во внутренней мембране митохондрий, состоя­ щую из ряда переноочаков электронов н протонов, транспортирующих элек­ троны от окисляющегося субстрата к вдыхаемому кислороду. В каждой ми­ тохондрии содержится от 5000 до 20000 дыхательных ансамблей, общее же t их число в клетке может достигать сотен тысяч и миллионов.

9. Биояогичеокая роль дыхательной цепи заключается в том, что эта биохимическая система обеспечивает в процессе миграции по ней электро­ нов постепенную (порциями, ступенчато) отдачу ими своей избыточной энергии, которая частично (40-50 %) сначала переходят в энергию транс­ мембранного электрохимического потенциала, а эатем аккумулируется в синтезирующихся молекулах АТФ. В дальнейяем энергия молекул АТФ испо­ льзуется для всех процессов жизнедеятельности клетки. Часть энергии электронов (50-60 %) рассеивается в виде тепла, что необходимо для поддержания температуры организма, причем это рассеивание происходят также постепенно,

10. Атомы водорода, отщепляемые от суботратов при их дегидриро нии (в процессе окислительного распада), либо используются в качеотве

- 72 -

строительного материала для процессов синтеза новых соедяне14Ий, либо поступают в дыхательную цепь - по 2 протона и 2 электрона одновремен­ но. Электроны проходят по этой цепи и в конце ее попадают нн вдыхае­ мый кислород, активируют его, В процессе миграции со дыхательной це­ пи электроны постепенно отдают свою избыточную энергию, часть которой (50-60 %) рассеивается в виде тепла, остальная же часть (40-50 %) расходуется на создание трансыембраиного электрохимического потонциала путем перекачки протонов из матрикса в межмембранное пространство (создается протонный градиент частично и за счет протонов, поступив­ ших в цепь от субстрата). В дальнейшем протоны возвращаются в матрикс, проходя по каналу в сопрягающем устройстве, при этом энергия мембран­ ного потенциала аккумулируется в синтезируемых молекулах АТФ. Активи­ рованный кислород соединяется с протонами из матрикса, образуя эндо­ генную воду.

Для синтеза I моля АТФ необходимо около 50 кДк (около 12 ккал) энергии.

11. Основным энергодающим процессом в клетках аэробных организ­ мов является соединение водорода, отщепляемого от распадающихся суб­ стратов, с вдыхаемым кислородом. По сути этот процесс представляет собой реакцию гсре!йя водорода в кислороде, протекающую со взрывом и ведущую к образованию воды. Однако в живых системах энергия освобож­ дается не взрывообраэно, а постепенно, ступенчато, т .к . вместо прямой реакции соединения водорода с кислородом происходит целая серия реак­ ций переноса протонов и электронов и на каждом этапе переноса выделя­ ется своя порция энергии.

Основной путь переноса электронов и протонов (полная дыхательная цепь) включает в себя следующие компоненты: окисляемый субстрат, НАД+- аависимую дегидрогеназу, НАДН-дегидрсгенаэу (флаыиновый фермент с коферментоы ФМН), жалеэо-серные белки, убахяпон (КоД). цитохром f , ци­ тохром C J, дитохром с , ыитохромоксидазу (включает в себя цитохром а

ицитохром a g ), вдыхаемый кислород.

12.Последовательность расположения компонентов дыхательной попи определяется большей или меньшей выраженностью у них окислительной или восстановительной способности, которая характеризуется оксилитель- но-восотеновитальным потенциалом (редокс-потенциалом). Чем отрицатель­ нее редокс-потенциал, тем сильнее восстанавливающая способность, т .е . способность отдавать электроны, тем большей энергией эти электроны обладают. Наибольшей окислительной способностью (способностью прини­ мать электроны) в дыхательной цепи обладает кислород, и его редокс-

- 7 3 -

потенциал имеет наибодытую величину. Следовательно, величины редоиопотенцяалов у компонентов дыхательной цепи неизменно возрастам: от самого низкого у суботрата до наиболее высокого у кислорода. Общая раэность редокс-лотепциалов в цепа транспорта электронов доотигает 1,2 В, что соответствует освобождению 220 кДж энергии в расчете на моль водорода (52,7 ккал/моль) в стандартных условиях измерения* В физиологических же условиях в клетках эти величины составляют 360 дДж/моль или 90 ккал/моль.

13. Митохондриальная дыхательная цепь укорачивается в случае, если субстрат дегидрируется сразу флавяновш ферментом (с кофермеытом ФАД). При этом электроны и протоны с такого субстрата сразу пе­ редаются через ФАД убихинону. Нэдокс-лотенцдал у подобных суботратов выше, чем у тех, которые окисляются НАД*-зависиммми дегидрогеназами, запас энергии у их электронов меньше, поэтому трансмембранный потен­ циал возникает меньюей величины и вследотвие этого синтезируется мень­ шее количество АТФ (2 молекулы вместо 3 на каждую пару электронов).

Короткие нефосфорклирующие цепи транспорта электронов и протонов, локализующиеся в мембранах эцдопдаэматического ретикулума или в цито­ плазме, обычно включают редуктазу (НАДФ+), флавооротеин (ФАД, ДАН), желеэо-оарный белок, цитохром (иногда цитохром Они обеспе­ чивают окисление субстрата путем внедрения в его молекулу кислорода. Энергия переносимых электронов при этом рассеивается в виде тепла. Некоторые фдавопротеииы окисляют субстраты, передавая отщепляемый от них водород сразу на кислород с образованием токсического пероксида водорода. Подобные реакции в основном протекают в пероксисомах.

14. Эндогенной навивается вода, возникающая в клетках в основном при функционировании дыхательных цепей в митохондриях. Некоторое коли­ чество эндогенной воды образуется при микросомальном окислении и при разложении пероксида водорода. В организме взрослого человека за сут­ ки возникает до 400 мл эндогенной воды.

Каталаза, содержащаяся во всех клетках, разлагает пероксид водо­

Окисление оубстрата НАД+-аависимой дегидрогеназой см. на стр. 78.

сидаза относится к классу оксидородуктаэ. В цепи транспорта электро­

и а^ входят гем А я ноны мода. Цитохромоксидаза представляет собой комплекс из 7 субъединиц, среди которых находятся цитохром а , цито­ хром ад и протонная транслоказа. Все цитохромы являются переносчика­ ми электронов (электронтранспортазы), их перенос сопровождается изме­ нением валентности жалоэа тема и меди. Цитохромоксидаза - аутооксидабельный фермент, т .е , способен восстанавливать молекулярный кислород

споследующим образованием эндогенной воды.

20.В процессе функционирования НАДФ+-эанисимых дегидрогеназ возникает НАММ(Н+). Водород с этого ксфермента не поступает в дыха­ тельную цепь, 8 используется в качестве строительного материала дня биосинтеза новых соединений.

Вмитохондриях нарабатывается много НАДН(Н*) по сравнению с ИАДЗИ(Н+). В случае возрастания потребности в водороде для восстано­ вительных синтезов происходит передача водорода с 11АДН(Н+) на НАДФ+ при участии фермента трансгидрогенлзы, локализованной во внутренней

мембране митохондрий:

2 1 . Взбота дыхательной цепи сопровождается потреблением кислоро­ да (дыхание клетки) и генерированием АТФ из АДФ и НдРОд. Функциониро­ вание этой системы эависит от наличия компонентов, используемых для

- 77 -

синтеза АТФ, главным образом от наличия АДФ, т .к . концентрация HgPO^ в клетках обычно значительно превышает концентрацию АДФ. Следовательво, АДФ является главным стимулятором тканевого дыхания, стимулятором, функционирования цепи транспорта электронов и синтеза АТФ.

22. Окислительным фосфорилированнем называют ояитеэ АТФ путем фосфорилирования АДФ за очет энергии трансмембранного электрохимичес­ кого потенциала, возникающего при освобождении энергии электронами окисленного субстрата в процессе миграции этих электронов по дыхатель­ ной цепи к вдыхаемому кислороду. Коротко говоря, окислительное фоофорилирование это синтез АТФ, связанный с переносом электронов по дыха­ тельной цепи, это синтез АТФ за счет энергии окисления субогрета.

Коэффициент фосфорилирования (Р/0 или Р/Эе**) это соотноюение ко­ личеств израсходованного на синтез АТФ фоофора H3FO4 и поглощенного кислорода. Он выражает эффективность функционирования цепи транспор­ та электронов: чем вше этот коэффициент, тем больше оинтеэируетоя АТФ в расчете на каждую пару перенесенных электронов. В случае полной дыхательной цепи коэффициент фосфорилирования близок к 3 , в случае же укороченной - к 2 .

23. Существуют три теории сопряжения окисления с фоофоридироваяаем: химиооомотячеокая (хемиоомотичеокая) теория Митчела, гипотеза химического сопряжения и гипотеза конформационного (мохаяохямнчеоксго) сопряжения.

По хямноосмотической теории сопряжение окисления субстрата и фо­ сфорилирования АДФ достигается через протонный градиент. Это означа­ ет, что часть энергии электронов окисленного субстрата в процесое их миграция по дыхательной цепи трансформируется в энергию трансмамбран­ ного электрохимического потенциала, создаваемого путем перекачки про­ тонов из матрдноа митохондрий в межмембранное пространство. В даль-"

нейшом протоны через канал сопрягающего устройства возвращаются и ма­ трикс (замыкается протонный цикл), концентрация протонов выравнива­ ется, мембрана разряжается, а энергия трансыембраиного потенциала ис­ пользуется дли синтеза АТФ.

электрических зарядов по обе отороиы внутренней мембраны митохонд­ рий. При этом наружная сторона мембраны заряжается положительно, т .к . концентрация протонов здесь увеличена. Этот потенциал слагается из разности электрических зарядов ( д ^ ) величиной около 0,20 В и кон-

- 7 8 -

центрацнонного градиента ионов водорода (лрН) - около 0,05 В. Общая величина достигает 0,25 В. Возникает протонный потенциал путем перекачки ионов водорода из матрикса в мажмембранное пространство за счет анергии электронов окисленного оубстрата, проходящих по дыха­ тельной цепи. В каждой точке сопряжения окисления с фосфорилировандем в межмембрандое пространство поступает по-видимому яе 2 протона, а больше (до 4 ), избыточная величина трансмембранного электрохими­ ческого потенциала (сверх необходимой для синтеза АТФ) нужна для обе­ спечения анергией транспорта из цитоплазмы в митохондрию пирувата, неорганического фосфата, АДФ, а из митохондрии в цитоплазму - АТФ.

Биологическая роль генерирования в клетке протонного потенциала заключается в том, что этот механизм является первичным запаоающим энергию электронов актом, он занимает центральное место во взалмоправращеииях одного вида энергии в другой.

25. Протонным циклом называют замкнутый (циклический) процесо перемещения ионов водорода в митохондриях. Сначала из матрикса прото­ ны через внутреннюю мембрану переносятся в мажмеыбранное пространст­ во с помощью компонентов дыхательной цепи. Для этого используется энергия электронов окисленного субстрата, создается трансмембранный электрохимический потенциал (протондвижущая сила). Затем ионы водоро­ да проходят по протонному каналу в сопрягающем комплексе и возвраща­ ются в мвтрикс (цикл эамыкаетоя). Цри этом мембрана разряжается, а энергия мембранного потенциала используется для синтеза АТФ. Проход протонов из мажмембранного пространства в матрикс по икьы каналам (каналам транспортных систем) используется для переноса различных ве­ ществ через мембрану митохондрии. Следовательно, функцией протонного цикла является первичное запасание энергии электронов в виде мембран­ ного потенциала о последующим использованием ее для синтеза АТФ - "универсального биологического горочего" - и для переноса веществ че­ рез митохондриальную мембрану.

26. Под сопряжением окисления о фосформированием понимают tфевращение энергии электронов окисленного субстрата, проходящих по дыха­ тельной цепи, в промежуточную форму - в энергию трансмеыбраиного по­ тенциала с последующим использованием ее для фосфорилирования АДФ, то есть для синтеза АТФ. Цротоиный градиент создается путам выталки­ вания ионов водорода в межмембрандое пространство в 3 участках: дыха­

- 79 -

ду. Эти участки цепи транспорта электронов обозначают как пункты со­ пряжения дыхания с фосфорилировакмйм, поскольку именно в этих местах генерируется ^ 6 Н.

Сопрягающее устройство является биохимической системой, осущест­ вляющей ^сформирование АДФ (синтез АТФ) за счет анергии протонного иотешцаала, Локализовано оно в грибовидных выступах внутренней мем­ браны митохондрий. Одна часть сопрягающего комплекса (fp) представ­ ляет собой белковый канал через мембрану для движения протонов в мат­ рикс. Другая часть ( f j J это фермент Н+-АТФ-сянтаза. Поток протонов через сопрягающее устройство, сопровождающийся разрядкой мембраны и выделением свободной энергии, и обусловливает синтез АТФ из АДФ и ИрЮд. При этом происходит либо активирование фосфата, либо конформацнонные изменения в балках.

27. Разобщающими агентами (разобщителями) называют вещества, рушающие аккумулирование энергии трамемембраиного потенциала в синте­ зируемых молекулах АТФ, вследствие чего энергия потенциала рассеива­ ется в виде тепла. Следовательно, большинство разобщителей являются липофильными веществен, переносящими протоны в матрикс через липид­ ную фазу мембраны вне сопрягающих комплексов. К разобщающим агентам относятся, например, свободные жирные кислоты, прогестерон, 2,4-ди- нитрофенол, некоторые антибиотики и др.

Действие разобщителей приводит к отключению механизма фосфорилвровандя АДФ (синтеза АТФ), в то время как окисление субстрата, погло­ щение кислорода, генерирование мембранного потенциала - продолжаются. Такое функционирование цепи транспорта электронов, при котором нару­ шено сопряжение о фоофорилврованиом и вся энергия электронов окислен­ ного субстрата, пройдя через стадию трансмембранного электрохимичес­ кого потенциала, рассеивается в виде тепла, и называется свободным окислением. Свободное окисление усиливается в условиях охлаждения ор­ ганизма или при дейотвии вещаств-разоющителей, поступающих в организм.

жх энергия переходит в тепловую и рассеивается.

26. Субстратным фосфорилированнем юэывавт синтез АТФ путем сфорплирования АДФ за счет энергии макроэргжчаского субстрата.

Суботратное фоофорилирование с участием 1,3-бисфосфоглщерата является частно дихотомического распада углеводов:

29. Субстратным фэсфорвлироязнием называют синтез АТФ путем фосфорилирования АДФ за счет энергии макроэогического субстрата.

Субстратное фосфорплиропание с участие?^ фосфоенодпирувата яв­ ляется частью дихотомического распада углеводов:

С4<эу ^

30. Субстратным фосфорилированиом называют синтез АТФ путем фосфорилирования АДФ за счет энергии макроэргического субстрата.

Субстратное фосфорилироваяие с участием сукцинил-КоА является

31. Субстратным фосфорилированием называют синтез АТФ путем фосфорилирования АДФ за счет энергии макроэргического субстрата.