Вопрос 26

Дегидрирование субстратов и восстановление кислорода (образо- вание воды) как основной источник энергии для синтеза АТФ

АТФ – чрезвычайно важная молекула клетки. Она непрерывно синте- зируется и используется. Энергия для синтеза АТФ поступает от субстратов, отдающих электроны в ходе их дегидрирования. Электроны извлекаются из субстратов в ходе гликолиза и гликогенолиза (в цитозоле), при окислении жирных кислот и в общих путях метаболизма: при преобразовании пирувата в ацетил-КоА и в цикле трикарбоновых кислот (в митохондриальном матрик- се). Молекулы НАДН и ФАДН2 переносят эти электроны в дыхательную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Энергия этих электронов используется для создания трансмембранного протонного градиента потенциала, используемого для синтеза АТФ.

К первичным акцепторам водорода:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – кофермент НАД+ (витамин РР)

Они переносят гидрид-ион (Н‾) и действуют всегда в растворимой форме:

НАД+ передает восстановительный эквивалент из катаболического пути в дыхательную цепь и тем самым участвует в энергетическом обмене. НАДФ+, напротив, является самым важным восстановителем при биосинтезе.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы: ФМН и ФАД+ (витамин В2)

найдены в дегидрогеназах, оксидазах и монооксигеназах. Обычно оба соединения ковалентно связаны с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему изтрех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный спирт – рибит.

ФАД состоит из ФМН, связанного с аденозинмонофосфатом (АМФ).

Оба соединения являются функционально близкими коферментами:

Вопрос 27

Убихинон является переносчиком восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи. При восстановлении хинон превращается в ароматический гидрохинон (убихинол):

Аналогичные системы хинон/гидрохинон принимают участие в реакциях фотосинтеза. К этому классу окислительно-восстановительных систем принадлежат также витамины Е и К.

Цитохромы (гемопротеины) — это маленькие глобулярные белки (в первом приближении их структура может быть представлена в виде шара или вытянутого эллипсоида), которые содержат ковалентно связанный гем, расположенный во внутреннем кармане, образованном аминокислотными остатками. Цитохромы присутствуют во всех клетках организмов. В клетках эукариот они локализованы в митохондриальных мембранах. Цитохромы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Известно около 30 видов цитохромов. Все они содержат гем в качестве простетической группы и различаются структурами боковых и полипептидных цепей. В зависимости от типа гема выделяют 8 классов цитохромов. В зависимости от спектров поглощения, цитохромы делят на группы a, b, c.

Цитохром c является белком с двойной функцией в клетке. С одной стороны, он является одноэлектронным переносчиком, свободно связанным с внутренней мембраной митохондрий, и необходимым компонентом дыхательной цепи. Он способен окисляться и восстанавливаться, но не связывает при этом кислород. С другой стороны, при определенных условиях он может отсоединяться от мембраны, плавать в межмембранном пространстве и активировать апоптоз. Всё это обеспечено уникальными свойствами молекулы цитохрома c.

Цитохром P450 (цитохром P450-зависимая монооксигеназа, англ. Cytochrome P450, CYP) — общее название ферментов семейства P450. Входят в класс гемопротеинов, относятся к цитохромам типа b. Цитохром P450, связанный с монооксидом углерода, имеет максимум поглощения света при длине волны 450 нм, что определило его название^[1][2].

Цитохромы P450 обнаружены во всех без исключения царствах живых существ — у животных, растений, грибов, бактерий, архей^[3]. Эти белки отсутствуют только у облигатно анаэробных организмов^[3]. Описано около 11 500 белков системы CYP. P450 бактерий и архей растворён в цитоплазме, в эволюционном смысле это наиболее древняя форма цитохрома P450. У эукариотических организмов P450 являются мембранными белками^. Система цитохрома P450 участвует в окислении многочисленных соединений, как эндогенных, так и экзогенных. Ферменты этой группы играют важную роль в обмене стероидов, желчных кислот, ненасыщеных жирных кислот, а также в нейтрализации ксенобиотиков (лекарств, ядов, наркотиков)

Цитохром с-оксидаза (цитохромоксидаза), фермент класса оксидоредуктаз; катализирует конечный этап переноса электронов на кислород в процессе окислительного фосфорилирования.

Функция оксидазы — восстановление кислорода с помощью электронов цитохрома с и транспорт протонов сквозь клеточную мембрану. В процессе катализа оксидазы из одной молекулы O₂ получается две молекулы H₂O. Четыре электрона из четырех молекул цитохрома используются в виде восстановителя. Кроме того, для получения воды нужны протоны из матрикса митохондрий. Энергия, полученная в этом процессе, используется для создания трансмембранного протонного градиента (градиент также создается во время двух других реакций дыхательной электронтранспортной цепи). Один цикл реакции способствует транспорту четырех протонов из внутреннего отделения митохондрий в интермембранное пространство.

Сложный механизм всей реакции еще не разрешен до конца. Упрощенная версия такова. Электроны первого цитохрома с переправляются через медный комплекс Cu_A / Cu_A, гем А и железо к каталитически активному центру из гема-а3 и другого соединения меди Сu_B. После этого восстанавливается железо (Fe³⁺ cтановится Fe²⁺); образуется связь между железом и молекулой O₂, после чего создается пероксидная связь между железом и медью. С помощью дополнительных двух электронов и протонов образуются OH-группы на обоих атомах металла, которые затем (опять же с помощью протонов) становятся H₂O.

Уравнение реакции:

4 Cytc(Fe²⁺) + O₂ + 12 H⁺_in → 4 Cytc(Fe³⁺) + 2 H₂O + 8 H⁺_out

Дыхательные цепи:

3. Длинная (полная)

Этапы выделения порционной энергии:-

• НАДН (Н+) ---> ФМН+ - первая порция

• Цит b ---> цит С1 – вторая порция

• Цит аа3 ---> ½ О2 – третья порция

4. Короткая (неполлная) – образуется если субстрата меньше, чем энергии

Окислительное фосфорилирование – это процесс споряжения тканевого дыхания и фосфорилирования АДФ с образвоанием АТФ.

Коэффициент Р/О – количество молекул неорганического фосфата, приходящегося на поглощенный атом кислорода.

АДФ + Н3РО4 ---> АТФ +Н2О

Длинная цепь: Р/О = 3

Короткая цепь: Р/О = 2

Хемиосмотическая теория Митчелла

Согласно исходным представлениям Митчелла, запасание энергии в АТФ происходит вследствие предварит, накопления зарядов на стенках мембраны, создания мембранного потенциала и разности концентраций протонов. Разность электрохимич. потенциалов ионов водорода на сопрягающих мембранах (внутр. мембраны митохондрий, тилакоиды хлоропластов, мембраны бактерий) возникает за счёт энергии, выделяемой при деятельности цепи окислит.-восстановит, ферментов, или за счёт поглощённых квантов света. Трансмембранные электрохимич. потенциалы ионов могут служить источником энергии не только для синтеза АТФ, на и для транспорта веществ, движения бактериальных клеток и др. энергозависимых процессов.

Гипокси́я (др.-греч. ὑπό — под, внизу + греч. οξογόνο — кислород) — состояние кислородного голодания как всего организма в целом, так и отдельных органов и тканей, вызванное различными факторами: задержкой дыхания, болезненными состояниями, малым содержанием кислорода в атмосфере. Вследствие гипоксии в жизненно важных органах развиваются необратимые изменения. Наиболее чувствительными к кислородной недостаточности являются центральная нервная система, мышца сердца, ткани почек, печени. Может вызывать появление необъяснимого чувства эйфории, приводит к головокружениям, низкому мышечному тонусу.

Различают 2 основных вида гипоксии:

1. Экзогенная

2. Эндогенная

Экзогенная гипоксия может наступить в следствии отравления и уменьшения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе

Эндогенная гипоксия в свою очередь поздразделяется на:

• Респираторную (при нарушении транспорта кислорода из атмосферы в кровь)

• Циркуляторную (спазм сосудов, тромбоэмболия, атеросклероз, ИБС)

• Гемическую (железодефицитные анемии, серповидно-клеточная анемия)

• Тканевую (митохондриальные болезни, ингибиторы дыхательной цепи – цианиды, блокирующие цитохромоксидазу)