Свободная энергия, используемая клеткой на работу, меньше полной энергии на величину энтропии, т.е. энергия расходуется на усиление беспорядочного движения молекул в системе.
Рассмотрим реакцию:
А→В ∆G = GВ Ã GА
1) GВ > GА ∆G (+)
Свободная энергия в ходе реакции возрастает, реакция протекает с поглощением энергии. Следовательно, требуется дополнительный источник энергии – эндергоническая реакция.
2) GВ < GА ∆G (-)
Эта реакция может протекать спонтанно с выделением энергии – экзергоническая реакция. Знак (-) показывает, что в систему не нужно
добавлять энергию.
3) GВ = GА ∆G=0
Это равновесная реакция.
Главное назначение энергии, генерируемой в биологических системах, заключается в поддержании организма в состоянии, удаленном от равновесия. Например, клетки содержат большие количества полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот при относительно малой концентрации их составных частей – т.е. глюкозы, аминокислот и т.д.
2. Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций (аккумуляторы энергии)
Катаболические превращения (распад и окисление молекул) обычно являются экзергоническими реакциями. Анаболические реакции (реакции синтеза) – эндергонические. В организме эндергонические реакции протекают сопряжено с экзергоническими. Механизм сопряжения состоит в синтезе соединения с высоким энергетическим потенциалом в ходе экзергонической реакции и последующем включении этого нового соединения в эндергоническую реакцию. Следовательно, должен быть этап аккумуляции, т.е. накопления энергии.
В живых клетках главным аккумулятором энергии служит АТФ. Реакции сопряжения могут быть подразделены на 2 группы:
1.Происходящие в немембранных отделах клетки.
2.Локализованные в мембранах.
102
2.1.Немембранные процессы сопряжения
Внемембранных процессах сопряжения основными аккумуляторами энергии служат макроэргические соединения.
Соединения, при гидролизе связей которых выделяется более 30,5 кДж/моль энергии, называют макроэргические.
Они содержат макроэргическую связь, обозначаемою знаком ~ (предложил Липман). Символ ~ (тильда) означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на акцептор сопровождается выделением большого количества свободной энергии. (Неточно говорить «гидролиз связи» - т.к. расщепление связи само требует
энергии). Величина 30,5 кДж/моль выбрана не случайно: именно столько энергии при стандартных условиях освобождается при гидролизе АТФ или столько же энергии нужно для синтеза АТФ из АДФ и Рн.
Все макроэргические соединения можно разделить на 3 группы: 1. Богатые энергией фосфаты.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH2 |
||
|
|
|
O |
|
|
|
O |
|
|
N |
|
|
|
|
|||||||||
-O |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
O- |
|
|
|
N |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O- |
|
|
N |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
-O |
|
O |
|
|
|
|
|
|
N |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
P |
|
|
O |
|
|
|
H |
O |
H |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
OH |
|
|
|
|
АТФ
2.Богатые энергией тиоловые эфиры, образуемые коферментом А (ацетил-КоА), ацилпереносящий белок, S-аденозилметионин и др.
3.НАДФН2 – аккумулятор энергии электронов в цитозоле, обес-
печивает электронами и протонами процессы восстановительного биосинтеза.
В процессах метаболизма исключительно важную роль играют высокоэнергетические фосфаты, к которым относится АТФ. По величине энергии гидролиза они образуют непрерывный ряд Ã термодинамическую шкалу.
103
Термодинамическая шкала химических соединений
Соединение |
G кДж/моль |
Фосфоэнолпируват |
61,9 |
1,3-бисфосфоглицерат |
51,4 |
Креатинфосфат |
43,1 |
АТФ → АДФ + Рн |
30,5 |
|
|
Глюкозо-1-фосфат |
20,9 |
Глюкозо-6-фосфат |
13,8 |
|
|
Вывод: АТФ занимает в шкале среднее положение.
Среднее положение АТФ в термодинамической шкале позволяет ей служить донором высокоэнергетического фосфата для тех соединений, которые в шкале стоят ниже АТФ и забирать его от соединений, стоящих выше.
Цикл АТФ/АДФ
Эндергоническая реакция:
гексокиназа
Глюкоза глюкозо-6-фосфат
Экзергоническая реакция: Е
АТФ→ АДФ + Рн
Экзергоническая реакция:
фосфоглицерокиназа
1,3-бисфосфоглицерат 3-фосфоглицерат
Эндергоническая реакция: Е
АДФ + Рн → АТФ
Таким образом, цикл АТФ/АДФ связывает процессы, генерирую-
щие макроэргические фосфаты, с процессами, их потребляющими.
В клетке синтез АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ, т.е. АДФ + Рн → АТФ. В зависимости от того, что служит источником энергии для этой эндергонической реакции, фосфорилирование бывает 3-х типов:
1.Окислительное – свободная энергия генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях.
2.Субстратное – синтез АТФ идет за счет использования энергии макроэргических соединений, стоящих в термодинамической шкале выше АТФ.
3.Фотосинтетическое – с использованием энергии Солнца в процессе фотосинтеза.
Вывод: АТФ – универсальный аккумулятор энергии.
АТФ – универсальный источник энергии. Ее энергия исполь-
зуется в следующих процессах:
104
1.Для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера.
2.Для выполнения мышечной (механической) работы.
3.Для переноса веществ через мембраны против градиента их концентрации (первичный активный транспорт).
4.Для обеспечения точной передачи информации.
Существуют 2 пути гидролиза АТФ:
1.АТФ + Н2О → АДФ + Рн.
2.АТФ + Н2О →АМФ + пирофосфат Н4Р2О7.
Первый путь гидролиза происходит в следующих случаях:
–для сопряженных эндергонических реакций нужно 30,5 или меньше кДж/моль энергии;
–для обеспечения процессов, требующих намного больше энергии, чем 30,5 кДж/моль. При этом используется энергия многих молекул АТФ.
В реакциях, когда потребность в энергии лишь несколько больше 30,5 кДж/моль, гидролиз АТФ происходит по второму пути.
В большинстве клеток имеется фермент аденилаткиназа. Она катализирует обратимую реакцию.
АТФ + АМФ 2 АДФ
Эта реакция выполняет 3 функции:
1.Позволяет синтезировать АТФ из АДФ.
2.Позволяет превратить АМФ, образующийся в ходе ряда реакций активации, в АДФ.
3.В условиях снижения концентрации АТФ (накапливается АДФ), происходит повышение концентрации АМФ, который служит аллостерическим активатором ряда катаболических реакций. В результате увеличивается генерация АТФ.
Существуют еще другие макроэргические соединения, построенные по типу АТФ, они обеспечивают энергией ряд биосинтезов:
–УТФ – синтез углеводов.
–ГТФ – синтез белков.
–ЦТФ – синтез липидов.
2.2. Сопрягающие мембраны
Преобразование энергии в биомембранах описывается схемой:
энергетические ресурсы → ∆μI → работа,
105
где ∆μI – трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I.
Схема означает, что энергетические ресурсы, потребляемые мембраной, сначала используются для транспорта иона через мембрану против сил электрического поля и против градиента концентрации иона. Этот процесс называется энергизацией мембраны. Затем энергия, накопленная в электрической и осмотической формах (∆μI), используется для совершения работы.
Ион I называют сопрягающим ионом. Во внутренней мембране митохондрий таким сопрягающим ионом служит Н+. В плазматической мембране сопрягающим ионом служит Νа+.
Каждая сопрягающая мембрана содержит белковые ансамбли двух типов. Один из них – АТФ – синтаза, т.к. он катализирует энергозависимый синтез АТФ из АДФ и Рн. Второй белковый ансамбль во внутренней мембране митохондрий представлен дыхательной цепью ферментов.
Энергия ∆μН+ может использоваться в следующих процессах:
1.Обратимо превращаться в энергию АТФ (химическая работа);
2.Для вторичного активного транспорта через мембрану веществ против градиента их концентрации (осмотическая работа);
3.Образование теплоты при понижении температуры окружающей среды (теплопродукция);
4.У бактерий за счет энергии ∆μН+ вращается жгутик (механиче-
ская работа).
3. Биологическое окисление и пути использования О2
Реакции, включающие перенос электронов, называют окислительно-восстановительными.
Потеря электрона – это окисление, принятие электрона – восстановление.
Окисление органических соединений во многих случаях означает отнятие водорода (дегидрирование).
При окислении протоны и электроны могут независимо отделяться от окисляемой молекулы. В других случаях механизм окисления может включать перенос протона вместе со связанным с ним электроном, т.е. в виде водорода, или протона со связанной парой электронов, т.е. гидрид-иона.
Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется величиной редокс-потенциала. Чем меньше редокс-
потенциал, тем легче вещество теряет электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал, тем сильнее
106
способность принимать электроны, т.е. сильнее выражены окислительные свойства. Молекула может отдавать свои электроны только молекулам с более высоким редокс-потенциалом. Т.е. если будет цепь окислительно-восстановительных реакций, ее участники будут располагаться в порядке возрастания редокс-потенциала.
Окислить соединение можно и присоединением к нему О2. Биологическое окисление Ã это совокупность всех окисли-
тельных процессов, протекающих в организме с участием О2.
Способы окисления субстрата:
I. Путем дегидрирования (О2 – акцептор Н2):
1. Отщепляемые от субстрата Н2 переносятся на атом О2 через ряд переносчиков, образуется Н2О, АТФ.
SН2 + ½О2 → S + Н2О + АТФ (тканевое дыхание).
2. Отщепляемые от субстрата водороды сразу переносятся на
молекулу О2, образуя перекись, энергия выделяется в виде тепла.
SН2 + О2 → S +Н2О2 + Q (пероксидазное окисление) II.Путем присоединения О2 (оксигеназное окисление):
1.К субстрату присоединяется атом О2, требуется дополнитель-
ный субстрат донор водорода.
S + ½О2 → SОН (гидроксилазное окисление)
2.К субстрату присоединяется молекула О2.
S + О2 → SО2 (диоксигеназное окисление)
3. Окисление с участием активных форм О2 (окислительная мо-
дификация молекул, свободнорадикальное окисление).
Назначение биологического окисления:
1)Извлечение энергии из различных соединений (тканевое дыха-
ние).
2)Разрушение или обезвреживание ксенобиотиков (пероксидазное, оксигеназное окисление).
3)Биосинтезы (гидроксилазное).
4)Изменение проницаемости мембран, окислительная модификация молекул.
4. Общая характеристика ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции
Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные ре-
акции, относятся к 1 классу – оксидоредуктазы. Их разделяют на 5 групп:
1. Оксидазы – катализируют удаление водорода из субстрата, используя в качестве акцептора водорода только О2. Содержат Сu, продуктом реакции является Н2О (искл. моноаминооксидаза – Н2О2), на-
107
пример, цитохромоксидаза.
2. Аэробные дегидрогеназы – в отличие от оксидаз могут использовать в качестве акцептора не только О2, но и искусственные ак-
цепторы – например, метиленовый синий, являются флавопротеинами, образуется Н2О2.
3.Анаэробные дегидрогеназы – не способны использовать О2 в качестве акцептора. Бывают НАД-зависимыми, ФАД и ФМН-
зависимыми, цитохромы.
4.Гидроксипероксидазы – в качестве субстрата используют Н2О2
или органические перекиси. К ним относят пероксидазы, каталазы.
5.Оксигеназы – катализируют прямое введение О2 в молекулу
субстрата.
5. Тканевое дыхание
Тканевое дыхание – это процесс улавливания клеткой энергии в виде АТФ при протекании контролируемого соединения кислорода с водородом с образованием воды.
Характерные черты тканевого дыхания
1.Это часть биологического окисления, где субстрат окисляется путем дегидрирования, акцептором водорода служит кислород, в результате образуется вода, проходит в митохондриях.
2.Водород в виде восстановительных эквивалентов переносится на кислород через дыхательную цепь.
3.Энергия окисления используется для синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.
Рассмотрим каждое положение подробно.
5.1. Митохондрии
Митохондрии – “энергетические станции” клеток. Здесь происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Освобождаемая при окислении энергия используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Большинство восстановительных эквивалентов в форме НАДН и ФАДН2 поставляют ЦТК и β-окисление жирных кислот. Эти процессы локализованы в
матриксе митохондрий. Матрикс митохондрий, кроме ферментов ЦТК, β-окисления, содержит пируват-дегидрогеназную систему, другие
ферменты, а также АТФ, АДФ, АМФ, фосфат, НАД+, НАДФ, кофермент А, К+, Mg2+, Cа2+.
Наружная мембрана митохондрий легко проницаема почти для всех молекул и ионов небольшого размера. Внутренняя мембрана относится к сопрягающим мембранам. Здесь расположены ферменты
108
дыхательной цепи, АТФ-синтаза, различные мембранные транспортные
системы. Для большинства ионов небольшого размера, в том числе и Н+, она непроницаема.
5.2. Дыхательные цепи
Термин “дыхательная цепь” используют для определения последовательности реакций, ответственных за перенос атомов водорода или электронов в виде восстановительных эквивалентов от субстратов к молекулярному кислороду воздуха. В результате этого переноса образуется вода, т.е. происходит реакция:
2Н2+О2 → 2Н2О+Q
Эта экзергоническая реакция сопровождается в пробирке взрывом, т.е. выделяется большое количество энергии. В клетке этого не происходит, т.к. энергия выделяется не одномоментно, а по этапам – во время движения восстановительных эквивалентов по цепи. Термин “восстановительный эквивалент” – это обобщенное понятие для обозначения переноса электрона без уточнения, в какой форме он переносится. По дыхательной цепи перенос электрона совершается в различной форме: переносятся гидрид-ионы, водородные атомы и просто электроны.
Дыхательная цепь состоит из ряда белков-ферментов с прочно
присоединенными простетическими группами, обладающими способностью присоединять и отдавать электроны и расположена во внутренней мембране митохондрий.
Эти белки располагаются в определенной последовательности (по возрастанию редокс-потенциала). Каждый из них способен
присоединять электроны от предыдущего участника цепи и передавать их следующему участнику цепи. Электроны, поступающие в эту цепь переносчиков, богаты энергией, но по мере их продвижения по цепи они теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ.
Различают полную и укороченную дыхательную цепи.
Схема дыхательных цепей:
Полная ПДЦ |
цитохромы |
|
SII,III → НАД+ → ФМН → кофермент |
→ в→с1→с→а а3→О2 |
|
Неполная (укороченная) УДЦ |
|
|
SI → ФАД |
|
|
|
|
109
Участники полной дыхательной цепи:
1.НАД-зависимые дегидрогеназы.
2.ФМН-зависимые дегидрогеназы.
3.Убихинон (кофермент Q).
4.Цитохромы.
В укороченной дыхательной цепи нет НАД-зависимых
дегидрогеназ, т.е. она короче на один фермент.
Окисляемые субстраты служат источниками восстановительных эквивалентов. Различают 3 рода субстратов:
1.Углеводородные (сукцинат, ацил-КоА). Средняя энергия
окисления пары электронов этих субстратов 150 кДж/моль. Это
меньше, чем энергия окисления пары электронов в системе НАД+/НАДН (200 кДж/моль). Поэтому НАД-зависимые дегидроге-
назы не могут участвовать в окислении этих субстратов. Они окисляются ФАД-зависимыми дегидрогеназами, т.е. в укороченной ды-
хательной цепи.
2.Спиртовые (лактат). Средняя энергия отщепления пары электронов = 200 кДж/моль. Окисляются НАД-зависимыми дегид-
рогеназами, т.е. в полной дыхательной цепи.
3.Альдегидные (3-фосфоглицериновый альдегид), энергия
отщепления пары электронов 250 кДж/моль. Это больше, чем требуется для окисления НАД-зависимыми дегидрогеназами, поэтому
при их окислении образуется не только НАДН, но и часть энергии используется для синтеза высокоэнергетических соединений.
5.3. Механизм переноса восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи
Внутренняя мембрана митохондрий, где расположены дыхатель-
ные цепи, относится к сопрягающим мембранам.
Рассмотрим механизмы переноса протонов и электронов по полной дыхательной цепи.
1. Окисление субстратов 2 и 3 рода НАД-зависимыми дегидроге-
назами.
Субстраты 2 и 3 рода располагаются в матриксе митохондрий и цитозоле. Здесь же располагаются и ферменты, их окисляющие. Это по строению сложные ферменты: пиридин-зависимые или НАД-
зависимые дегидрогеназы, в качестве кофермента служит НАД или
НАДФ. Они могут называться и по субстрату – малатдегидрогеназа, лактатдегидро-геназа.
110
СТРОЕНИЕ НАД (Н-никотинамид, А-аденин, Д-динуклеотид)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
NH2 |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
NH 2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
O |
|
CH 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
O |
|
P |
|
|
O |
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
H |
|
|
H |
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH OH |
|
|
|
|
|
|
|
NH 2 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
O |
|
|
CH 2 |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
O |
|
P |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
N |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
H H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
H |
|
|
|
OH |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
P |
|
|
|
|
O |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Главную роль в механизме окисления играет никотинамид (витамин РР), который может существовать в двух резонансных формах. В первой форме избыточный (+) заряд у азота. В результате смещения электронной плотности к N+ у атома углерода в пара-положении появ-
ляется избыточный (+) заряд и свободная валентность. Такая частица называется карбкатион. К свободной валентности от окисляемого субстрата присоединяется атом водорода (протон и электрон), а к положительному заряду – электрон, т.е. молекула водорода в присутствии карбкатиона подвергается гетеролитическому разрыву на гидрид-ион (протон и 2 электрона) и протон. Гидрид-ион присоединяется к НАД, а про-
тон остается в матриксе митохондрий, подкисляя его.
Механизм окисления субстрата с участием НАД-зависимых дегидрогеназ
|
|
|
|
|
Н+ и 2ēÃ |
|
|
|
|
|
|
|
гидрид-ион |
|
|
|
|
|
|
+ |
ē |
Н |
|
H |
|
|
CONH 2 |
CONH |
|
||
|
|
CONH 2 |
|
2 |
|||
S |
+ |
|
S+ |
||||
|
|
|
+Н+ |
||||
H +- |
|
N |
+ |
N |
N |
||
|
|
|
пр |
|
|||
|
|
R |
|
R |
R |
|
|
|
|
Карбкатион |
|
НАДН- |
|
|
|
|
|
|
|
|
восстановленный |
111