БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ). ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

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;

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.