Методичка по биохимии. 1 курс - 1 модуль

ЦТКэто амфиболический цикл, так как выполняет как катаболическую, так и анаболическую функцию. Цикл трикарбоновых кислот процесс с выраженной катаболической функцией. Двууглеродные фрагменты, которые вносит молекула ацетил-СоА, подвергаются в нем пол-ному окислению до СО2. Вместе с тем, промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот начинают новые биосинтетические пути.

Анаболические (биосинтетические процессы) приводят к снижению концентрации промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. Они быстро истощают пул промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет молекул из других источников.

Реакции, пополняющие цитратный цикл - это анаплеротические реакции.

Особенно важной анаплеротической реакцией в организме человека является превращение пирувата в оксалоацетат.

Эта реакция поддерживает необходимую высокую концентрацию оксалоацетата в митохондриях и обеспечивает субстратом первую цитратсинтазную реакцию цикла.

У здоровых людей эта АТФ-зависимая реакция позволяет включать в глюконеогенез лактат и аминокислоты, распадающиеся до пирувата. В отличие от пирувата ацетил-СоА не является анаплеротическим метаболитом, поскольку полностью окисляется до СО2.

7. Связь реакций ОПК с ЦПЭ

Общий путь катаболизма (ОПК), включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном матриксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутренней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой. Реакции дегидрирования происходящие

в ЦТК служат источником атомов водорода (НАДН+Н+ и ФАДН2) для дыхательной цепи

Рис. 6. Взаимосвязь ЦТК с окислительным фосфорилированием.

Промежуточные метаболиты цикла являются субстратами окисления (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат и малат). В цикле происходит их окисление (дегидрирование) под действием НАД+ и ФАД-зависимых дегидрогеназ. При этом НАД+ и ФАД восстанавливаются. Водород из цикла Кребса (в виде НАДН+Н+ и ФАДН2) поступает в дыхательную цепь, где он используется как своего рода топливо. В дыхательной цепи происходит перенос протонов и электронов водорода на кислород с образованием воды. Выделяющаяся при этом энергия используется на образование АТФ.

Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА в цикле Кребса:

или:

В ЦТК образуется 3 молекулы НАДН+Н+ и одна молекула ФАДН2. Окисление НАДН+Н+ в дыхательной цепи митохондрий дает по 3 молекулы АТФ на каждую молекулу НАДН+Н+ и по 2 молекулы АТФ на каждую молекулу ФАДН2. Одна молекула ГТФ образуется за счет субстратного фосфорилирования на этапе превращении сукцинил-КоА в сукцинат, а затем может превращаться в АТФ по реакции: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы ацетил-КоА до СО2 и Н2О генерируется 12 молекул АТФ.

С учетом окислительного декарбоксилирования ПВК (НАДН+Н+→3 мол АТФ) энергетический эффект окисления 1 молекулы ПВК до СО2 и Н2О

составляет 15 молекул АТФ.

9. Регуляция общих путей катаболизма:

Общим принципом регуляции ОПК является то, что они активируются при низком энергетическом потенциале клетки и совместно ингибируются при высоком энергетическом клеточном потенциале. Энергетический потенциал клетки характеризует высокое значение отношения: АТФ/АДФ и НАДН/ НАД+.

Рис. 7. Регуляция общих путей катаболизма

Скорость ОПК регулируется на уровне четырех регуляторных реакций, катализируемых ферментами:

пируватдегидрогеназныи комплексом,

цитратсинтазой,

изоцитратдегидрогеназой,

α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. Регуляция на уровне ПДК имеет важное значение для обеспечения цитратного цикла «топливными» молекулами - ацетилом-КоА.

Образование ацетил-КоА из пирувата - необратимый ключевой этап метаболизма, который регулируется пируватдегидрогеназным комплексом.

Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами:

доступностью субстратов,

путём ковалентной модификации: фосфорилированием - дефосфорилированием,

аллостерически.

Ковалентная модификация ПДК осуществляется фосфорилированием и дефосфорилированием в определённых участках пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК) по остаткам серина. В состав ПДК входят 2 регуляторные субъединицы:

(рис. 8):

Рис. 8. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

При накоплении продуктов пируватдегидрогеназной реакции (ацетилКоА и НАДH) тормозится превращение пирувата в ацетилКоА, поскольку АсКоА и НАДН являются аллостерическими активаторами киназы ПДК, которая фосфорилирует ПДК и переводит ее в неактивную форму. Такая ситуация создаётся, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, из которых образуется ацетил-КоА,

концентрации внутримитохондриального Са2+. Такой механизм активации ПДК особенно важен в мышцах и жировой ткани.

Пируват, НАД+, НSКоА аллостерически активируют нефосфорилированную форму ПДК, в то время как НАДН и АсКоА выступают в качестве ее ингибитора.

Регуляция цикла Кребса.

Лимитирующим ферментом ЦТК (катализирующим самую медленную реакцию) является изоцитратДГ. Он активируется АДФ, НАД+, ингибируется АТФ, восстановленной формой НАДН•Н+. Когда в клетке достаточно АТФ (покой), скорость цикла снижается, при распаде же АТФ образуется АДФ, избыток которого активирует самую медленную реакцию и, следовательно, скорость всего цикла в целом.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки - ЭЗК).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = -----------------------------

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может меняться от 0 до 1. Обычно в норме величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.

Тема: «БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ.

ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ).

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ»

Цель занятия: получить знания о механизмах биологического окисления и окислительного фосфорилирования, поскольку все процессы жизнедеятельности связаны с затратой АТФ: активный транспорт питательных веществ, процессы биосинтеза специфических белков, белков-ферментов, гормонов, липидов, полисахаридов, нуклеиновых кислот, возникновение и проведение нервного импульса, мышечные сокращения, секреторная работа и другие.

План

1.Биологическое окисление в организме человека. Пути использования и роль кислорода.

2.Трансформация различных видов энергии в организме человека. Понятие о тканевом дыхании.

3.Пути синтеза АТФ: субстратное и окислительное фосфорилирование. Макроэргичность АТФ.

4.Цепь переноса электронов: локализация, основные принципы организации, строение ферментного ансамбля дыхательной цепи.

5.Общая схема ЦПЭ.

6.Хемиоосмотическая теория Митчелла. Механизм сопряжения реакций окисления и синтеза АТФ.

7.Н+-зависимая АТФ-синтетаза, её строение, активация, роль в биосинтезе АТФ.

8.Регуляция биоэнергетических процессов в клетке. Дыхательный контроль как основной механизм регуляции сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент Р/0.

9.Разобщение окисления и фосфорилирования. Ингибирование ЦПЭ.

1.Биологическое окисление в организме человека

Жизнь на Земле существует благодаря солнечному свету. Свет является источником энергии для растений и большинства автотрофных организмов. Энергия света в растениях используется для синтеза органических соединений из СО2 и воды, в то время как гетеротрофные организмы используют для процессов жизнедеятельности энергию органических веществ, поступающих с пищей.

Рис.1 Использование энергии солнечного света.

Каждое органическое соединение обладает определённым запасом внутренней энергии. Часть этой внутренней энергии молекулы может быть использована для совершения полезной работы. Эту энергию называют свободной энергией молекулы. Основным генератором энергии для процессов жизнедеятельности служат реакции биологического окисления, т.е. окислительно-восстановительные реакции, протекающие во всех живых системах, в которых молекулы, содержащие атомы углерода в восстановленном состоянии, подвергаются окислению.

Окисление – это перенос электрона ē и Н+ от субстрата (S) на акцептор. Если акцептор - это органическое вещество, то при анаэробных условиях происходит брожение (неполное окисление). Дыхание (полное окисление S до

СО2 и Н2О) осуществляется в аэробных условиях и акцептором ē и Н+ служит кислород.

Биологическое окисление (тканевое дыхание) это процесс окисления биологических веществ с выделением энергии. В организме человека биологическое окисление на 90% протекает с использованием кислорода и 10 % анаэробно.

Особенностью биологического окисления можно считать многократность

передачи Н+ и ē (или только ē) от одного соединения (донора) к другому (акцептору). Это обеспечивает постепенное высвобождение энергии: без взрыва и пламени, в водной среде, при нормальном давлении.

Рис. 2. Функции биологического окисления.

В нашем организме окисление (использование кислорода в клетке) может происходить по:

оксидазному пути – за счет отнятия водорода от окисляемого субстрата;

оксигеназному пути (старое название – микросомальное окисление) - путем присоединения кислорода к окисляемому субстрату.

свободно-радикальному пути, приводящему в образованию активных форм кислорода.

Оксидазный путь: О2 является конечным акцептором электронов и протонов. Кислород используется с энергетической целью. Пример, ЦПЭ - полное, 4-х электронное восстановление О2 до Н2О.

Ферменты - оксидазы удаляют Н из субстрата, используя в качестве акцептора водорода только О2,

Истинные оксидазы - продуктом реакции является вода.

SH2 + 1/2 О2 → S + Н2О

Аэробные дегидрогеназы, или ФАД зависимые оксидазы

-продуктом реакции является пероксид водорода.

SH2 + О2 → S + Н2О2

Оксигеназный путь – прямое включение атомов кислорода в субстрат. Кислород используется с пластической целью. Пример микросомальное окисление:

Ферменты -оксигеназы

Монооксигеназы - обеспечивают включение одного атома кис лорода в молекулу субстрата.

SH2 + ½ О2 → H-S-OH .

Диоксигеназы.- обеспечивают включение молекулы кислорода

вмолекулу субстрата

SH2 + О2 → HО-S-OH .

Монооксигеназы и диоксигеназы катализируют реакции гидроксилирования стероидов, ксенобиотиков, образование простагландинов и лейкотриенов, но не принимают участия в процессах биологического окисления в митохондриях

Свободно-радикальный путь. Кислород, необходимый организму для функционирования ЦПЭ и многих других реакций, является одновременно и токсическим веществом, если из него образуются активные формы. Активные формы кислорода образуются во многих клетках в результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к 1

молекуле кислорода. К активным формам кислорода относят:

ОН• - гидроксильный радикал;