Методичка по биохимии. 1 курс - 1 модуль

О2- супероксидный анион;

Н2О2 - пероксид водорода.

2.Трансформация различных видов энергии в организме

человека.

Тканевое дыхание – процесс поглощения кислорода (О2) тканями при окислении органического субстрата с выделением углекислого газа и воды.

Тканевое дыхание, с точки зрения химии, – это окислительновосстановительный процесс, связанный с образованием воды при переносе электронов от водорода на кислород. По существу тканевое дыхание напоминает реакцию горения водорода в кислороде, которая сопровождается столь значительным выделением энергии, что происходит взрыв. Разница лишь в том, что при дыхании используется не молекулярный водород, а водород, отщепляемый от органических веществ и связанный с коферментами, причем транспорт электронов на кислород происходит ступенчато, через несколько промежуточных реакций, в результате чего энергия окисления выделяется отдельными малыми порциями и накапливается в удобной для клетки химической форме, в виде АТФ. Кроме того, постепенное выделение энергии уменьшает ее рассеивание и предохраняет клетку от разрушительного действия тепловой энергии, которая при непосредственном взаимодействии окисляемого субстрата с кислородом освободилась бы одномоментно.

Этапы тканевого дыхания:

образование субстратов окисления в ходе катаболизма углеводов, липидов и белков;

дегидрирование субстратов окисления и образование восстановленных эквивалентов (НАДН+Н+ и ФАДН2), которые затем отдают протоны и электроны в ЦПЭ.

Первичными донорами водорода являются:

Для НАД-зависимых- дегидрогеназ: ПВК, изоцитрат, α-кетоглутарат, L- малат, глутаминовая кислота.

Для ФАДзависимыхдегидрогеназ: сукцинат, ацетил-КоА, α- глицерофосфат.

окисление восстановительных эквивалентов кислородом, сопровождающихся синтезом АТФ.

окисление фосфорилирование

3. Пути синтеза АТФ

Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, запасающей энергию, является АТФ.

Пути синтеза АТФ:

субстратное фосфорилирование

окислительное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование осуществляется путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты с макроэргического соединения на АДФ.

Макроэргические соединения – соединения, содержащие макроэргическую связь, при гидролизе которой освобождается энергия больше, чем 30 кДж/моль. К клеточным макроэргическим соединениям относят фосфоенолпируват, 1,3-дифосфоглицерат, которые образуются в гликолизе. К ним относят также сукцинил~СоА (образуется в цикле трикарбоновых кислот, и креатинфосфат, являющиеся субстратами, так называемого субстратного фосфорилирования, при котором их макроэргическая связь используется для синтеза АТФ:

пируваткиназа Фосфоенолпируват+АДФ Пируват+АТФ

Сукцинил-КоА+ГДФ+Фн сукцинил-КоА-тиокиназа Сукцинат+ ГТФ+HSKoA

2) Окислительное фосфорилирование -образование АТФ

(фосфорилирование) за счёт энергии, выделяющейся при прохождении электронов по дыхательной цепи (окисление).

Отличиесубстратногоиокислительногоф сфорилирования

зобщителей

4. Цепь переноса электронов (ЦПЭ)

Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) – последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду – конечному акцептору водорода.

В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ.

Ферменты цепи переноса электронов (дыхательная цепь, цепь переноса электронов) локализованы во внутренней мембране митохондрий и расположены в цепи так, что G постепенно уменьшается, а редокс-потенциал,

соответственно возрастает.

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса,

несколько небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами (рис. 3).

Рис. 3 Состав и расположение комплексов дыхательной цепи.

I комплекс носит общее название НАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН, железосерные белки.

Функции I комплекса:

Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).

Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриаль-ной мембраны.

Атомы железа в FeS-центрах могут находиться в окисленном (Fe3+) или восстановленном (Fe2+) состоянии.

II-ой комплекс– как таковой не существует, его выделение условно, включает в себя ФАД-зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил-S-КоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию).

Функции II комплекса:

Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.

Обеспечение передачи электронов от ФАДН2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на

коэнзим Q.

Система КоQ представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от различных субстратов Поэтому убихинон во внутренней мембране митохондрий представлен в более высоких концентрациях, чем большинство других переносчиков электронов.

III-ий комплекс QН2-дегидрогеназа

– комплекс цитохромов b-c1, кроме цитохромов в нем имеются 2 железо-серных белка.

Функции III комплекса:

Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с2.

Переносит 2 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

IV -ый комплекс – цитохромоксидаза – цитохромы а-а3 Функции:

Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.

Переносит 4 протона (Н+) на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Принципы организации ЦПЭ

Комплексы ЦПЭ располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала.

Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительновосстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Ео'), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Ео' выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот. Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у кислорода. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.

Электрон перемещается по дыхательной цепи (ДЦ) от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, для синтеза АТФ.

Переносчики протонов и электронов чередуются с переносчиками только электронов, поэтому протоны выбрасываются в межмембранное пространство, создавая электрохимический потенциал.

Энергия + используется для следующих процессов:

синтеза АТФ.

получения тепла (особенно важно для бурого жира)

выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).

мышечную работу (в некоторых случаях).

Рис. 3. Изменение окислительно-восстановительных потенциалов.

Рис.4 Последовательность расположения комплексов ЦПЭ (а) и изменение окислительновосстановительного потенциала, вызывающего синтез АТФ (б)

5. Общая схема ЦПЭ.

Рис. 4. Структурная организация дыхательной цепи

6. Окислительное фосфорилирование. Хемиоосмотическая теория Митчелла.

Окислительное фосфорилированиесинтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ.

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961

году Митчеллом была предложена хемиосмотическая гипотеза, основными положениями которой являются:

внутренняя мембрана митохондрий разделяет потоки ē и Н+ – первые транспортируются вдоль мембраны, вторые – поперек, при этом создается трансмембранный электрохимический потенциал, обусловленный разностью зарядов и концентраций протонов в матриксе и межмембранном пространстве митохондрий.

Перенос электронов на внутренней мембране митохондрий вызывает выкачивание Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н+ между матриксом и наружной стороной внутренней мембраны митохондрий. Градиент получил название электрохимический потенциал или

протонный градиент (∆µ"дельта мю"), который составляет около 220 мВ. Он имеет две составляющие – электрическую (∆ῳ "дельта пси") и концентрационную (∆рН):

∆µ н+ = ∆ῳ+ ∆рН

В норме Н+ способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом - через АТФ-синтазу. Протоны теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу. Часть этой энергии тратится на синтез АТФ.

Энергия образовавшегося на внутренней мембране митохондрий электрохимического потенциала может использоваться для фосфорилирования АДФ в АТФ, т.е. для фосфорилирования, транспорта веществ через мембрану митохондрий и тепло.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование сопряжены, а сопрягающим звеном между ними служит электрохимический потенциал: дыхание создает его, а фосфорилирование – расходует.

Рис. 5. Механизм образования АТФ согласно гипотезе Митчела.

7. Строение и работа Н+-АТФ-синтазы

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. Состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране.

Комплекс Fо образует канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя