28. Общие принципы биологической термодинамики. Окислительное и субстратное фосфорилирование. Механизм сопряжения окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания.
=вопрос 27
Если источником этой энергии является транспорт электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, говорят об окислительном фосфорилировании. Это главный путь синтеза АТФ в аэробных клетках.
Если источником энергии является гидролиз макроэргической связи субстрата, говорят о субстратном фосфорилировании. Такой механизм имеет место в цитозоле и митохондриях и может происходить в анаэробных условиях.
Процесс окислительного фосфорилирования тесно связан (сопряжен) с окислительно-восстановительными реакциями (ОВР), а именно с реакцией окисления водорода кислородом до воды — тканевым дыханием.
29. Образование в процессах метаболизма воды и углекислоты - конечных продуктов обмена веществ (цтк и тканевое дыхание).
Гонский (стр. 246-таблица)
Конечные продукты обмена:
NН3 — образуется путем дезаминирования;
СО2 — образуется путем декарбоксилирования;
Н2О — образуется путем окисления водорода кислородом в дыхательной цепи (тканевое дыхание).
30. Современные представления о механизме тканевого дыхания. Характеристика ферментов и коферментов тканевого дыхания.
Гонский (стр.263-267)
31. Современная теория тканевого дыхания. Дыхательная цепь, ее надмолекулярная организация. Виды дыхательных цепей.
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.).
При тканевом дыхании одно из веществ окисляется, другое - восстанавливается. Окисляемым веществом, или субстратом, считают то вещество, которое в ходе химических реакций теряет протоны и электроны или присоединяет кислород. Вещество, которое присоединяет протоны и электроны или теряет кислород, считается восстановленным. Протоны и электроны называют восстанавливающими эквивалентами. Они переносятся от одного соединения - донора - к другому - акцептору. У аэробов конечным акцептором восстанавливающих эквивалентов является кислород.
Субстратами клеточного дыхания служат продукты расщепления основных питательных веществ и кислород.
Биологические субстраты в тканях окисляются двумя путями: анаэробным и аэробным. Так, анаэробный гликогенолиз или гликолиз приводит к образованию пировиноградной и молочной кислот, которые в дальнейшем подвергаются аэробным превращениям. Молочная кислота окисляется до пировиноградной, которая взаимодействует с KoA, образуя ацетил-КоА. Ацетил-КоА включается в аэробный путь получения клеткой энергии, причем источником ацетил-КоА могут быть и другие вещества.
При анаэробном и аэробном окислении свободная энергия окислительно-восстановительных реакций аккумулируется в виде АТФ. Протоны и электроны в ходе этих реакций переносятся специальными ферментами на отдельные звенья дыхательной цепи, где и аккумулируется энергия. Гиалоплазма клетки содержит ферменты гликолиза и гликогенолиза, здесь и происходит анаэробное окисление субстратов. В матриксе митохондрий сконцентрированы ферменты цикла трикарбоновых кислот и окисления жирных кислот.
Дыхательная цепь=Гонский (стр.268-271) или текст ниже
Тканевое дыхание осуществляется дыхательной цепью поэтапно. Прежде всего, под влиянием соответствующих дегидрогеназ дегидрируются отдельные субстраты. В частности, молочная кислота дегидрируется ЛДГ и превращается в пировиноградную, яблочная - дегидрируется МДГ и превращается в щавелевоуксусную и т. д. Молекула дегидрогеназы состоит из простого белка и кофермента - НАД и НАДФ. Кофермент способен взаимодействовать с отщепленным атомом водорода, восстанавливаться и передавать его на другие акцепторы.
После этой реакции специфичность субстрата теряет свое значение, так как отщепленные атомы водорода (протон и электрон) для всех веществ одинаковы. Затем атомы водорода переносятся на молекулу флавинового фермента (ФФ), содержащую ФМН или ФАД. Они окисляют восстановленные формы НАД и НАДФ и переносят атомы водорода на следующее звено. Некоторые ФФ (например, СДГ) могут отщеплять атомы водорода прямо от субстрата и переносить его на убихинон. Атомы водорода, отщепленные от восстановленных НАД и НАДФ или прямо от субстрата, присоединяются к изоаллоксазиновому кольцу простетической группы ФФ.
Следующим звеном дыхательной цепи является убихинон, который, присоединяя отщепленный атом водорода, восстанавливается и окисляет флавиновые ферменты:
ФФ∙Н2+Убихинон→Убихинон∙Η2+ΦΦ.
Далее протоны переходят в окружающую среду, а электроны поступают в цитохромную систему.
Цитохромная система принимает электроны последовательно на цитохромы b, с, a и а3 (ЦХО). Во время переноса электронов поочередно происходит восстановление (Fe3+ → Fe2+) и окисление (Fe2+ → Fe3+) цитохромов вплоть до ЦХО. ЦХО передает электроны молекулярному кислороду, активируя его. Кислород взаимодействует с ионами водорода, которые находятся в среде, образуя воду. В процессе клеточного дыхания кроме воды образуется углекислый газ и выделяется химическая энергия. Углекислый газ может расходоваться на карбоксилирование, в частности на образование щавелевоуксусной кислоты. Химическая энергия аккумулируется в виде АТФ.
В дыхательной цепи создается своеобразный электронный каскад. Его образно можно представить в виде ряда водопадов. Каждый водопад в этом каскаде "вращает турбину ферментативной реакции". При этом в разных участках каскада образуется неодинаковое количество энергии. Оно выражается редокс-потенциалом. Величина редокс-потенциала показывает направление переноса электронов в дыхательной цепи. В дыхательной цепи происходит постепенное увеличение редокс-потенциала от начального звена до конечного (табл. 7). Существуют и другие пути клеточного дыхания. Примером краткого пути может быть окисление янтарной кислоты в фумаровую. Еще пример. L- и
D-Аминокислоты, ксантин и гипоксантин дегидрируются ФФ, после чего водород прямо переносится на молекулярный кислород, минуя систему цитохромов. Эти пути составляют 5-7% общего баланса клеточного дыхания. При этом образуется пероксид водорода, который обезвреживается каталазой: 2H2O2 → 2H2O + O2.
Примером длинного пути клеточного дыхания может быть окислительное декарбоксилирование α-кетокислот (см. с. 196). При этом отщепленные от каждой молекулы кетокислоты два атома водорода вначале переносятся на липоевую кислоту, затем на НАД и HАДΦ дегидрогеназ. Дальше окисление идет обычным путем.
32. Тканевое дыхание. Пиридинзависимые дегидрогеназы. Структура НАД и НАДФ, их участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Гонский (стр. 264-266)
33. Тканевое дыхание. Флавинзависимые дегидрогеназы и оксидазы. Структура ФМН и ФАД. Их участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Гонский (стр.266)
34.Тканевое дыхание. Строение и роль железосодержащих ферментов в тканевом дыхании.= 35. Тканевое дыхание. Дайте характеристику цитохромов и объясните их роль в тканевом дыхании.
Железосодержащие ферменты=цитохромы
Гонский (стр.267)
36. Тканевое дыхание. Убихинон: его структура и роль в биологическом окислении.
Гонский (стра.267)
37. Что такое разобщители и блокаторы тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования? Приведите примеры.
Сопряжение между дыханием и синтезом АТФ может быть нарушено разобщителями. Разобщители нарушают дыхательный контроль (т.е. стимулируют дыхание в отсутствие синтеза АТФ) и стимулируют гидролиз АТФ в митохондриях.Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH2 возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается.
Разобщающее действие вызывает специфический фермент — аденозинтрифосфатаза, а также другие фосфатазы. Существуют и специфические ингибиторы (яды) окислительного фосфорилирования — так называемые разобщающие агенты или факторы. Типичным представителем последних является динитрофенол, механизм действия которого заключается, в конечном итоге, в стимулировании фосфатазной активности клетки. Динитрофенол и аналогичные ему агенты (например, дикумарол, арсениты) не затрагивают природы самих компонентов, участвующих в процессе фосфорилирования. Их действие заключается только в гидролизе макроэргических связей в молекуле АТФ или не содержащих фосфора предшественников последней. Наряду с этим имеется группа ингибиторов фосфорилирования, действие которых основано на связывании компонентов, участвующих в транспорте электронов по цепи. Таковы цианиды, амитал, антимицин и др. Известны, наконец, агенты, ингибирующее действие которых распространяется на соединения, участвующие в сопряжении окисления с фосфорилирование. Некоторые из ингибиторов оказывают комплексное воздействие.
Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма, тироксин - гормон щитовидной железы Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.
Тироксин, также обладающий разобщающим действием, вызывает набухание митохондрий, увеличивает проницаемость митохондриальной мембраны. Часть субстратов цикла Кребса выходит в гиалоплазму. Окисление их ферментами гиалоплазмы при участии экстрамитохондриального НАД приводит к увеличению образования тепла в результате свободного окисления. Выработка АТФ в клетке уменьшается.
При разобщении окисления и фосфорилирования наблюдается несоответствие между данными прямой и непрямой калориметрий. При отравлении 2,4-а-динитрофенолом теплопродукция по калориметру может на 50-80% превышать рассчитанную по газообмену. При тиреотоксикозе теплопродукция по калориметру может превышать рассчитанную по газообмену на 20-40%.
38. Охарактеризуйте механизм разобщения цепи тканевого дыхания. Каков энергетический эффект разобщения? Приведите примеры необратимой блокировки цепи тканевого дыхания.
=вопрос 37
39. Охарактеризуйте процессы тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Факторы, влияющие на активность указанных процессов.
ОФ=вопрос 27
Тканевое дыхание=вопрос 31
40. Микросомальное окисление, характеристика ферментов.
Гонский (стр.277-278)
41. Специфические и общие пути катаболизма углеводов, липидов, белков. Ацетилкоэнзим А, его возникновение и превращения.
Гонский (стр.246)
Ацетилкофермент А, ацетил-коэнзим А, сокращённо ацетил-КоА — важное для обмена веществ соединение, используемое во многих биохимических реакциях. Его главная функция — доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот, чтобы те были окислены с выделением энергии.
Ацетил-КоА может окисляться в цикле трикарбоновых кислот. При этом обеспечивается 12 молекул АТФ на каждую молекулу ацетилкоэнзима А. Ацетил-КоА может использоваться для синтеза жирных кислот, при этом требуется достаточное количество энергии (АТФ). При недостатке энергии, при нарушении обмена углеводов и липидов синтез холестерина через мевалоновую кислоту нарушается и происходит образование кетоновых тел с их накоплением в тканях и выделением с мочой (кетозы). Мевалоновоя кислота является предшественником холестерина. Однако реакции биосинтеза холестерина почти полностью совпадают с реакциями биосинтеза кетоновых тел. При нормальной энергетической обеспеченности ацетоацетил-КоА полностью превращается в печени в мевалоновую кислоту, затем в холестерин. При уменьшении углеводов, сахарном диабете, нарушении обмена липидов происходит увеличение кетоновых тел, развиваются кетозы.