Механизм : Окислительное фосфорилирование

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

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО₂. Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. 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 с образованием АТР. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР — это энергетически сопряженные реакции. Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием ADP:

---- МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ Для объяснения механизма сопряжения окисления и фосфорилирования были выдвинуты две принципиальные гипотезы. Химическая гипотезапостулирует прямое химическое сопряжение на всех стадиях процесса, как при образовании АТРв процессе гликолиза. Предполагается, что существует интер-медиат, богатый энергией (I ~ X), связывающий процессы окисления и фосфорилирования. Поскольку такое соединение до сих пор не было обнаружено, эта гипотеза в известной мере дискредитирована и в дальнейшем не будет рассматриваться (подробно об этом вопросе можно прочесть в обзоре: Harper, Rodwell and Mayes,- 1979). Хемиосмотическая теорияпостулирует, что при окислении компонентов дыхательной цепи генерируются ионы водорода, которые выходят на наружную сторону сопрягающей мито-хондриальной мембраны. Возникающая в результате асимметричного распределения ионов водорода (протонов, Н⁺) разность электрохимических потенциалов используется для приведения в действие механизма образования АТР. Были выдвинуты и другие гипотезы; согласно одной из них, энергия окисления запасается в форме изменения конформации молекул, а затем используется для генерирования богатых энергией фосфатных связей.

30.Общие принципы биологической термодинамики. Окислительное и субстратное фосфорилирование. Механизм сопряжения окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания.

Термодинамика биологических систем.

Термодинамика– наука о превращениях энергии при её переносе в макроскопических системах.

Макроскопические системы (макросистемы)– материальные объекты, состоящие из большого числа частиц.

Биологические системы– макроскопические. Обмен энергией с окружающей средой – обязательное условие их существования.

Особенности термодинамического подхода:

1. Описание макросистем в целом (без учёта составляющих)

2. Ограниченность – с помощью термодинамики нельзя исследовать природу или механизм биологического явления.

3. Универсальность – приложимость к процессам самого разного рода от транспорта веществ через мембрану клетки до биологической эволюции.

Окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях в процессе биологического окисления в дыхательной цепи. Энергия, высвобождающаяся в дыхательной цепи, аккумулируется в макроэргических соединениях АТФ. Энергия, освобождающаяся в процессе биологического окисления только частично рассеивается в виде тепла (около 40%), а большая часть накапливается в форме макроэргических молекул АТФ (около 60%). Молекула АТФ – это универсальный акцептор и донор химической энергии в клетках. Гидролиз каждой макроэргической связи АТФ сопровождается выделением 7,3 килокалорий энергии на 1 грамм-молекулу. В дыхательной цепи при переносе каждой пары электронов на 1 атом кислорода образуется 3 молекулы АТФ, то есть отношение фосфора к кислороду равно трем: P / О = 3. Синтез молекулы АТФ происходит в определенных участках дыхательной цепи. На каждом этапе синтеза АТФ аккумулируется 8 ккал на каждую грамм-молекулу образовавшейся АТФ.

Субстратное фосфорилирование участвует в анаэробном расщеплении глюкозы. За счет субстратного фосфорилирования 1 молекулы глюкозы синтезируется 6 молекул АТФ.

Процесс сопряжения тканевого дыхания и фосфорилирования получил название окислительного фосфорилирования. Впервые в начале 30-х годов В. А. Энгельгардт высказал соображение о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием. Позже, в 1940 г., В. А. Белицер и Е. Т. Цыбакова показали, что синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 осуществляется в митохондриях при миграции электронов от субстрата к кислороду через цепь дыхательных катализаторов. При этом указанные авторы обнаружили, что отношение P/О, т. е. число молекул неорганического фосфата, перешедших в органическую форму (АТФ), в расчете на каждый поглощенный атом кислорода близко к 3.

Установлено, что уменьшение свободной энергии системы при переносе пары электронных эквивалентов от НАДН2 к молекулярному кислороду составляет 220 кДж (52,7 ккал). В свою очередь величина стандартной свободной энергии образования АТФ из АДФ и Н3РО4 (АДФ + Н3РО4 --> АТФ + Н2О) находится в пределах 30,2 кДж, или +7,3 ккал (по-видимому, в условиях in vivo эта величина около 34,5 кДж). Следовательно, уменьшение свободной энергии при переносе одной пары электронов от НАДН2 к кислороду способно обеспечить синтез нескольких молекул АТФ из АДФ и фосфата. В табл. 25 приведены некоторые данные об энергетических взаимоотношениях в пределах отдельных фрагментов дыхательной цепи.

31.Образование в процессах метаболизма воды и углекислоты - конечных продуктов обмена веществ; привести примеры.

32.Современные представления о мех-ме тканевого дыхания. Характеристика ферментов и коферментов.

Современная теория тканевого дыхания

Тканевое дыхание - основа биологического окисления и представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, связанных с потреблением организмом кислорода, освобождением химической энергии, выделением углекислого газа и воды. Часть окислительных реакций в организме не сопровождается накоплением энергии и не входит в комплекс тканевого дыхания. Эти реакции осуществляют превращения некоторых веществ (например, окисление при образовании стероидных гормонов, желчных кислот и т. д.).

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования (см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н⁺ или восстановленного убихинона (QH₂) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора(НАДН + Н⁺ и, соответственно, QH₂) и акцептора (О₂) реакция является высокоэкзергонической (см. с. 24). Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов (см. с. 128) и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.

Компоненты дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза (см. с. 144) иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различныхокислительно-восстановительных коферментов, связанных с белками (см. сс. 108, 144). К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.

Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н⁺ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН₂ или флавопротеин (см. с. 166), При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с₁ на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu_A и Cu_B) и гемы а и а₃, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О₂образуется сильный основной анион О^2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом.

Ферменты подразделяют на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из белка. Это многие фер­менты пищеварительного тракта — амилаза, пепсин, трипсин. Сложные ферменты состоят из белковой части, которая называется апоферментом, и небелковой, которая называется кофактором. Молекулу сложного фер­мента часто называют холоферментом. Кофакторы, которые слабо связа­ны с белковой частью фермента, называются коферментами (коэнзимами). Кофермент может легко переходить от одного фермента к другому. Кофакторы, прочно связанные с белковой частью фермента, называются простетической группой. Кофакторами могут быть различные органичес­кие вещества и их комплексы, а также минеральные вещества. Многие из них термостабильны, но могут окисляться атмосферным кислородом. В организме человека ряд кофакторов не синтезируется, а поступает с про­дуктами питания. Их строение и участие в биологических процессах рас­смотрено далее.

В проявлении каталитической активности фермента принимает участие не вся его молекула, а только незначительная часть, которая называется ак­тивным центром. Активный центр — это часть молекулы фермен­та, которая взаимодействует с коферментом и субстратом и участвует в преобразовании вещества. Активный центр ферментов может быть образо­ван несколькими функциональными группами отдельных аминокислот, рас­положенными в различных участках полипептидной цепи белка. Поэтому для проявления каталитической активности фермента важна его нативная структурная организация. При нарушении этой структуры изменя­ется активный центр, а значит, и активность фермента. Существуют фер­менты, которые состоят из нескольких белковых молекул, т. е. имеют субъ­единичное строение. Они могут иметь несколько активных центров или единый центр, образованный при взаимодействии этих субъединиц.

Кофакторы. Каталитическая активность сложных ферментов проявля­ется только в присутствии коферментов:

Кофермент участвует в формировании активного центра фермента. Многие коферменты имеют сложное строение и включают витамины. Та­ким образом, регуляторное влияние витаминов на обмен веществ опосре­довано через ферменты.

33.Современная теория тканевого дыхания. Дыхательная цепь, ее надмолекулярная организация.

Современная теория тканевого дыхания

Тканевое дыхание - основа биологического окисления и представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, связанных с потреблением организмом кислорода, освобождением химической энергии, выделением углекислого газа и воды. Часть окислительных реакций в организме не сопровождается накоплением энергии и не входит в комплекс тканевого дыхания. Эти реакции осуществляют превращения некоторых веществ (например, окисление при образовании стероидных гормонов, желчных кислот и т. д.).

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования (см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н⁺ или восстановленного убихинона (QH₂) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора(НАДН + Н⁺ и, соответственно, QH₂) и акцептора (О₂) реакция является высокоэкзергонической (см. с. 24). Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов (см. с. 128) и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.

Компоненты дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза (см. с. 144) иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различныхокислительно-восстановительных коферментов, связанных с белками (см. сс. 108, 144). К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.

Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н⁺ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН₂ или флавопротеин (см. с. 166), При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с₁ на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu_A и Cu_B) и гемы а и а₃, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О₂образуется сильный основной анион О^2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом.

34.Пиридинзависимые дегидрогеназы. Структура НАД и НАДФ, их участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Пиридинзависимые дегидрогеназы

К числу пиридинзависимых дегидрогеназ относится свыше 150 ферментов, которые катализируют восстановление НАД и НАДФ различными органическими субстратами.

НАД и НАДФ являются динуклеотидами, в которых мононуклеотиды связаны между собой через остатки фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов входит амид никотиновой кислоты (витамин РР), другой представляет собой адениловую кислоту. В молекуле НАДФ имеется еще один остаток фосфорной кислоты, присоединенный к рибозе в положении С3'.

Катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами реакции можно изобразить так:

Способность НАД и НАДФ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. В электронно-протонной форме обратимое гидрирование - дегидрирование (присоединение и отдача протонов и электронов)

При переносе двух восстановительных эквивалентов от субстрата на НАД+ один из них затем присутствует в восстановленном коферменте в виде водорода, а другой - в виде электрона. Свободный ион Н+ остается в среде. Для простоты обычно восстановленные формы НАД и НАДФ изображают символами НАДН2 и НАДФН2.

-Метаболическая роль коферментов: НАД+ используется в окислении, которое является частью катаболических процессов, НАДФН используется как восстановитель в анаболических реакциях (биосинтезы, обезвреживание).

Некоторые ферменты могут использовать оба кофермента, но большинство ферментов имеют один из пиридинзависимых коферментов.

НАДН и НАДФН не проходят через внутреннюю мембрану митохондрий, но могут передавать электроны в митохондрию через специальные механизмы.

35.Флавинзависимые дегидрогеназы и оксидазы. Структура ФМН и ФАД. Их участие в ОВ реакциях.

Дегидрогеназы представляют собой энзимы класса оксидоредуктаз, которые катализируют реакции отщепления водорода (то есть протонов и электронов) от субстрата, который является окислителем, и транспортируют его на другой субстрат, который восстанавливается.

Флавинзависимые дегидрогеназы - флавопротеины, простетическими группами в которых ФАД или ФМН - производные витамина В2, которые прочно (ковалентно) связаны с апоферментом. Данные дегидрогеназы - мембраносвязанные ферменты, окисляющие неполярные и малополярные субстраты. Рабочей частью молекулы ФАД или ФМН, которая участвует в окислительно-восстановительных реакциях, является изоалоксазиновое кольцо рибофлавина, который акцептирует два атома водорода (2Н+ + 2е-) от субстрата.

Общее уравнение реакции с участием флавинзависимых дегидрогеназ выглядит так:

SH2 + ФМН → S + ФМН-Н2

SH2 + ФАД+ → S + ФАДН2

В процессах биологического окисления данные ферменты играют роль как анаэробных, так и аэробных дегидрогеназ. К, анаэробным дегидрогеназам принадлежит НАДН-дегидрогеназа, ФМН-зависимый фермент, который передает электроны от НАДН на более электроположительны компоненты дыхательной цепи митохондрий. Другие дегидрогеназы (ФАД-зависимые) переносят электроны непосредственно от субстрата на дыхательную цепь (например, сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа). Транспортировка электронов от флавопротеинов к цитохромоксидазам в дыхательной цепи обеспечивают цитохромы, которые, кроме цитохромоксидазы, по классификации как анаэробные дегидрогеназы. Цитохромы – представляют собой железосодержащие протеины митохондрий - гемпротеины, которые за счет обратного изменения валентности геминового железа выполняют функцию транспортировки электронов в аэробных клетках непосредственно в цепях биологического окисления: цитохром (Fe3 +) + е → цитохром (Fe2 +).

В состав дыхательной цепи митохондрий входят цитохромы b, с1, с, а и а3 (цитохромоксидаза). Кроме дыхательной цепи, цитохромы содержатся в эндоплазматическом ретикулуме (450 и b5). К аэробным флавинзависимым дегидрогеназам принадлежат оксидазы L-аминокислот, ксантиноксидаза и др.

Дегидрогеназы, катализируют включение одного или двух атомов кислорода в молекулу субстрата, получили название оксигеназы. В зависимости от количества атомов кислорода, которые взаимодействуют с субстратом, оксигеназы делят на 2 группы:

• Диоксигеназы

• Монооксигеназы

Оксидазы.Катализируют удаление водорода из субстрата, используя при этом в качестве акцептора водорода только кислород. Оксидазы содержат медь, продуктом реакции является вода (исключение составляют реакции, катализируемые уриказой и моноаминоксидазой, в результате которых образуется Н₂О₂).

В качестве субстратов оксидаз могут выступать фенолы, полифенолы, амины. Примерами ферментов класса оксидаз являются фенолаза, цитохром-оксидаза, моноаминоксидаза, уриказа.

Флавиновые ферменты – это сложные белки, простетической группой которых, как уже отмечалось, являются либо флавинмононуклеотид (ФМН), либо флавинадениндинуклеотид (ФАД).

ФМН и ФАД прочно, в отличие от коферментов НАД⁺ и НАДФ⁺, присоединены к апоферменту, выступая, таким образом, в качестве простетических групп, а не свободно диссоциирующих коферментов. Обе группы представляют собой метаболически активную форму рибофлавина (витамин В₂).

Механизм действия ФМН и ФАД. Активной частью молекулы ФАД или ФМН служит изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина. Два атома водорода (два протона и два электрона) присоединяются к первому и десятому атомам азота за счет внутримолекулярной перегруппировки двойных связей в кольце. Реакция восстановления ФМН имеет вид:

Окисленная форма ФМН Восстановленная форма ФМН.2Н В соответствии с более положительными величинами окислительно-восстановительных потенциалов, чем у никотинамидных коферментов (около - 0,1 В), флавопротеиды могут акцептировать водород от НАД.2Н: НАД.2Н + ФМН = НАД+ + ФМН.2Н. Именно этот процесс протекает в дыхательной цепи ферментов на внутренней мембране митохондрий. В некоторых случаях, например при окислении янтарной кислоты, α-глицерофосфата и КоА-производных жирных кислот, флавинзависимые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ и непосредственно принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов без участия НАД и связанных с ним дегидрогеназ. В клетках также имеются аэробные флавиновые ферменты, осуществляющие перенос атомов водорода от субстрата к кислороду с образованием Н2О2.

36.Строение и роль железосодержащих ферментов в тканевом дыхании.

Железосодержащие ферменты играют очень важную роль в качестве катализаторов окислительно-восстановительных реакций в животном организме; железо входит в состав их простетическои группы в комплексном соединении с порфирином.

Железо-серные ферменты-это еще один важный класс железосодержащих ферментов, участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий. Железо-серные ферменты не содержат гемогрупп; они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой лабильной форме, расщепляющейся под действием кислот. К железо-серным ферментам относится, например, ферредок-син хлоропластов, осуществляющий перенос электронов от возбужденного светом хлорофилла на разнообразные акцепторы электронов.

Полагают, что введение метгемоглобинообразователей будет способствовать связыванию сероводорода метгемоглобином и тем самым уменьшать его взаимодействие с тканевыми железосодержащими ферментами.

Со стороны нервной системы бывают галлюцинации, расстройства речи и др., нарушается углеводный и холестериновый обмен, а также окислительно-восстановительные процессы железосодержащих ферментов.

Перенос водорода с субстрата на кислород при тканевом дыхании, как правило, совершается не непосредственно, а при участии ряда промежуточных ферментативных систем. Первой из этих систем тканевого дыхания при окислении таких веществ, как фосфоглицериновый альдегид, молочная кислота, лимонная кислота, является дегидраза. В систему дегидразы входит кодегидраза, играющая роль водородного акцептора. Образовавшаяся восстановленная кодегидраза не может непосредственно окисляться кислородом. Она подвергается дегидрированию, взаимодействуя с флавиновым ферментом. Последний при тканевом дыхании в свою очередь окисляется одним из цитохромов. Цитохромы представляют собой железосодержащие клеточные пигменты, причем восстановленный цитохром содержит двухвалентное железо в геминовой группе, а окисленный — трехвалентное. Система окислительных ферментов тканевого дыхания завершается также железосодержащим ферментом — цитохромоксидазой, окисляющей цитохромы и способной реагировать непосредственно с кислородом, который окисляет двухвалентное железо этого фермента в трехвалентное.

37.Что такое разобщители и блокаторы тканевого дыхания? Охарактеризуйте механизм разобщения цепи тканевого дыхания. Каков энергетический эффект разобщения? Приведите примеры необратимой блокировки цепи тканевого дыхания.

Разобщители тканевого дыхания

Известны вещества, способные разобщать процессы биологического окисления и фосфорилирования. Такими свойствами обладают, как пра­вило, липофильные соединения, содержащие фенольную группировку в молекуле и являющиеся слабыми органическими кислотами. Наиболее известными и широко используемыми в хозяйственной деятельности яв­ляются 2,4-динитрофенол (ДНФ), динитро-о-крезол (ДНОК), пентахлорфенол. При авариях на промышленных объектах и других чрезвычайных ситуациях эти вещества могут стать причиной массового поражения людей.

In vitro «разобщители» стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями и индуцируют активность АТФазы. In vivo в результате их действия значительно активируются процессы биологического окисления и потребление кислорода тканями, однако содержание АТФ и других макроэргов в клетках при этом снижается. Развиваются типичные для отравления веществами общеядовитого действия признаки интоксика­ции (см. выше). Образующаяся в ходе окисления субстратов энергия рас­сеивается в форме тепла, температура тела отравленного резко повышает­ся, что является характерным признаком острого отравления «разобщителями».

Блокаторы: Ингибиторы тканевого дыхания блокируют один из трех пунктов сопряжения дыхания и фосфорилирования. Все ингибиторы можно разделить на три группы, действие которых представлено на схеме 11.

I группа ингибирует дыхательную цепь на уровне 1-го пункта сопряжения дыхания и фосфорилирования. К данным веществам относятся, например, ротенон («рыбий яд»), амобарбитал (препарат барбитурового ряда). При этом прерывается поступление водорода от субстратов окисляющихся через НАД-зависимые дегидрогеназы. Выключается также первое из трех звеньев фосфорилирования. Данная группа ингибиторов не влияет на использование субстратов, окисляющихся через ФАД-зависимые дегидрогеназы.

II группа ингибиторов, к которым относится антимицин А (антибиотик, выделенный из стрептомицетов) блокирует дыхательную цепь на уровне 2-го сопряжения дыхания и фосфорилирования и выключает участок цепи до блока.

Дыхание возможно только в присутствии аскорбиновой кислоты, которая, превращаясь в дегидроаскорбиновую кислоту по уравнению, представленному ниже, передает водород непосредственно на цитохром с. При этом образуется только одна молекула АТФ на уровне цитохромоксидазы.

III группа ингибиторов тканевого дыхания, к которым относятся цианиды (например, NaCN, KCN), сероводород (H₂S), оксид углерода (II), (СО, угарный газ) необратимо блокируют цитохромоксидазу, т.е. 3-й пункт сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Это приводит к полному прекращению тканевого дыхания и быстрой гибели клетки от дефицита энергии. Поэтому ингибиторы цитохромоксидазы являются сильнейшими ядами. Оксид углерода (II), кроме того, нарушает транспорт кислорода кровью путем образования с гемоглобином устойчивого соединения - карбоксигемоглобин.

38.Факторы, влияющие на активность тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

39.Микросомальное окисление, характеристика ферментов в тканевом дыхании.

Микросомальное окисление – это каскад реакций, входящих в первую фазу преобразования ксенобиотиков. Суть процесса заключается в гидроксилировании веществ с использованием атомов кислорода и образованием воды. Благодаря этому меняется структура первоначального вещества, а его свойства могут как подавляться, так и усиливаться.

Микросомальное окисление позволяет перейти к реакции конъюгации. Это вторая фаза преобразования ксенобиотиков, в конце которой к уже существующей функциональной группе присоединятся молекулы, вырабатываемые внутри организма. Иногда образуются промежуточные вещества, вызывающие повреждение клеток печени, некроз и онкологическое перерождение тканей.

Окисление оксидазного типа

Реакции микросомального окисления происходят вне митохондрий, поэтому на них расходуется около десяти процентов всего кислорода, попадающего в организм. Основные ферменты в этом процессе – оксидазы. В их структуре присутствуют атомы металлов с переменной валентностью, такие как железо, молибден, медь и другие, а значит, они способны принимать электроны. В клетке оксидазы расположены в особых пузырьках (пероксисомах), которые находятся на внешних мембранах митохондрий и в ЭПР (зернистый эндоплазматический ретикулюм). Субстрат, попадая на пероксисомы, теряет молекулы водорода, которые присоединяются к молекуле воды и образуют перекись.

Существует всего пять оксидаз: - моноаминооксигеназа (МАО) – помогает окислять адреналин и другие биогенные амины, образующиеся в надпочечниках; - диаминооксигеназа (ДАО) – участвует в окислении гистамина (медиатор воспаления и аллергии), полиаминов и диаминов; - оксидаза L-аминокислот (то есть левовращающихся молекул); - оксидаза D-аминокислот (правовращающихся молекул); - ксантиноксидаза – окислят аденин и гуанин (азотистые основания, входящие в молекулу ДНК).

Тканевое дыхание представляет собой сложный ферментативный процесс. Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы: никотинамидные дегидрогеназы, флавиновые дегидрогеназы и цитохромы.

Никотинамидные дегидрогеназы отнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему коферменту НАД(никотинамид-аденин-динуклеотид). По строению НАД является динуклеотидом, в котором два нуклеодида соединяются между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеодидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты(никитинамид, витамин РР), вторым нуклеотидом является аденозинмонофосфат (АМФ):

Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоединяются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов – никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД переходит в свою восстановленную форму НАД·Н₂:

Флавиновые дегидрогеназыотщепляют два атомаводорода от образовавшегося НАД·Н₂ и временно присоединяют их к своему коферменту ФМН (флавин-мононуклеотид). По строению этот кофермент является мононуклеотидом, содержащимвитамин В₂ (рибофлавин):

Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАД·Н₂) присоединяются к флавину, выполняющего роль акцептора водорода. В результате этой стадии образуется восстановленная форма кофермента - ФМН·Н₂:

В некоторых случаях флавиновые дегидрогеназы, подобно никотинамидным, отнимают два атома водорода непосредственно от окисляемых веществ. Такие флавиновые дегидрогеназы используют кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид), похожий по строению на ФМН и тоже содержащий витамин В₂:

40.Специфические и общие пути катаболизма углеводов, липидов, белков. Ацетилкоэнзим А, его возникновение и превращения.

Катаболизм углеводов

Процессы обмена углеводов у человека начинаются в ротовой полости, так как в состав слюны входит фермент амилаза, который способен расщеплять крахмал и гликоген до дисахарида – мальтозы, которая ферментом мальтазой расщепляет последнюю до глюкозы. Поступление глюкозы в клетки различных органов зависит от гормона инсулина, который регулирует скорость переноса глюкозы через мембраны клеток. переносчиками – белками.

Обмен глюкозы в клетке начинается с ее фосфорилирования:

 глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

+ АТФ → + АДФ 

В отличие от свободной глюкозы, глюклзо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны, поэтому фосфорилированная глюкоза как бы «запирается» в клетке, и там запасается в форме гликогена – животного крахмала, который синтезируется из молекул глюкозо-6-фосфата.

Катаболизм глюкозы в клетке может идти по трем основным направлениям, которые различаются по способу изменения углеродного скелета молекулы:

1. Дихотомический путь, при котором происходит расщепление связи С-С между третьим и четвертым атомами углерода, и из одной молекулы гексозы получаются две триозы (С₆→2С₃).

2. Апотомический путь (пентозофосфатный), при котором гексоза превращается в пентозу (С₆ → С₅) в результате окисления и отщепления одного (первого) углеродного атома.

3.Глюкуроновый путь, когда происходит окисление и отщепление шестого углеродного атома

Катаболизм липидов:

Липиды это основной энергетический резерв человеческого (да не только) организма. Удельная энергоемкость на один грамм превышает таковую у белков и углеводов в два раза. Это также дает "экономию" свободного места в теле.Для такого же объема энергии в виде гликогена пришлось бы увеличить массу тела на 10-15 кг. Нормально так.

 

Для мышц, сердца, почек, печени при голодании или физической работе жирные кислоты становятся важным источником энергии. Печень перерабатывает часть жирных кислот в кетоновые тела, используемые мозгом, нервной тканью и некоторыми другими тканями как источники энергии.

 

Основной процесс катаболизма липида - это расщепление триацилглицерола до глицерина и трех молекул жирных кислот, которые дают существуенный выбор энергии.