25.Окислительные системы наружной мембраны митохондрий. Внемитохондриальное окисление. Пероксидазные, моно- и диоксигеназные реакции. Их биологическое значение.

Внемитохондриальное окисление

Внемитохондриальное окисление протекает в ЭПС, пероксисомах, на внешней мембране митохондрий, в цитозоле. Этот вид окисления в разных тканях расходует разное количество кислорода.

Основные функции внемитохондриального окисления:

• антитоксическая функция – обезвреживание путём окисления токсических веществ;

• синтез новых соединений путём окислительных реакций.

Различают несколько видов внемитохондриального окисления в зависимости от их внутриклеточной локализации и вида участвующих в них компонентов. Во внемитохондриальном окислении принимают участие флавопротеиды, цитохром Р₄₅₀, цитохром В₅, ферменты оксигеназы, пероксидазы.

Окисление с участием оксигеназ.

Окисление с участие оксигеназ наиболее активно протекает в ЭПС. В нём участвуют диоксигеназы и монооксигеназы.

Диоксигеназы – катализируют окисление субстрата путём присоединения двух атомов кислорода по схеме: R + O₂ → RO₂. Примерами могут служить: окисление гомогентизиновой кислоты диоксигеназой гомогентизиновой кислоты, окисление триптофана триптофанпирролазой с разрывом пиррольного кольца.

Монооксигеназы катализируют окисление субстратов путём присоединения одного атома кислорода. Данный вид окисления активно происходит в ЭПС печени, где на него тратится до 50% поглощаемого кислорода. В микросомальном окислении участвуют дополнительные вещества – косубстраты НАДНФ₂ или витамин С, выполняющие функцию донора водорода для связывания второго атома кислорода. Микросомальное окисление в основном выполняет антитоксическую функцию (обезвреживаются продукты гниения белков, лекарственные вещества). Путём данного варианта окисления синтезируются некоторые аминокислоты (тир), биогенные амины. Благодаря микросомальному окислению происходит биотрансформация различных ксенобиотиков. В них формируется гидроксильная группа, к которой в последующем присоединяются глюкуроновая кислота, Н₂SО₄, глютатион.

Окисление с участием оксидаз происходит в основном на внешней мембране митохондрий. Оксидазы – аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород. Примеры: окисление некоторых аминокислот ферментами аминокислотооксидазой, аминов – аминооксидазами, ксантина – ксантинооксидазами. В результате такого окисления в тканях образуется очень активные радикалы кислорода (АФК)

• О₂ + 1е→_ФП→ О₂^-+ - ион – радикал (супероксид)

• О₂ + 2е→_ФП→ О₂ ^2- – пероксид радикал

• О₂^-+ + Н₂О₂ → О₂* + ОН⁺ + ОН^.

В физиологических условиях образуется очень незначительное количество активных форм О₂. Они выполняют функцию регуляции проницаемости клеточных мембран путём окисления липидов в составе мембран, активности мембранных ферментов, участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов. Особо важную роль в физиологических условиях АФК играют в фагоцитозе т.к. принимают участие в нескольких механизмах фагоцитоза. При фагоцитозе потребление кислорода увеличивается в 2-5 раз, и это явление называется «окислительным взрывом»

В патологических условиях высокие концентрации активных форм кислорода оказывают токсический эффект, окисляют липиды, белки, нуклеиновые кислоты. NO обладает угнетающим действием на окислительное фосфолирирование. Поэтому в организме для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода существует защитная антиокислительная система. Она представлена ферментами и веществами неферментативной природы. К антиоксидантным ферментам относят:

• супероксиддесмутаза – разрушает ион-радикал кислорода

• каталаза – разрушает пероксид

• глютатионпероксидаза – разрушает пероксидазы при участии пептида глютатиона.

К неферментативным веществам относят: белки, содержащие SH - группы, глютатион, витамины Е, А, С, некоторые гормоны, белки крови (трансферрин, церулоплазмин), селен.

Пероксидазное окисление.

Пероксидазное окисление происходит по схеме:

RН₂ + Н₂О₂ = R + 2 Н₂О

Примеры пероксидаз: каталаза, глютатионпероксидаза, йодидпероксидаза (участвует в синтезе тиреоидных гормонов).

( ????) Система митохондриального окисления - мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны и электроны на кислород с образованием молекулы воды.

Все ферменты митохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов - никотинамидная дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует "дыхательный ансамбль" («дыхательную цепь»), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата, затем передаются последовательно от одного переносчика к другому, и, наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды.

Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке переносчиков. Эта последовательность определяется величиной редокс потенциала (окислительно-восстановительного потенциала, сокращенно - ОВП) каждого звена. ОВП - это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроны. Выражается в вольтах (V). Вещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны), вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом. Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий - у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении - в порядке возрастания их ОВП: от -0.32V у никотинамидных дегидрогеназ (первого компонента главной цепи МтО) до 0.82V у О2, обладающего самым высоким редокс-потенциалом.

На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н+ и электроны. Протоны остаются временно в окружающей среде, а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О2. Кислород является конечным акцептором электронов.

O2 + 4e----->2O-2 (полное восстановление кислорода)

26.Сопряжение окисления с фосфорилированием. Протонный потенциал, АТФ-синтетаза. Коэффициент Р/О, изменение его величины при окислении различных субстратов. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания и фосфорилирования. Терморегуляторная роль тканевого дыхания. Нарушения энергетического обмена. Гипоксические состояния. Окислительное фосфолирирование

Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н₃РО₄, за счёт энергии транспорта электронов по ЦПЭ называется окислительным фосфорилированием.

Процессы окисления в дыхательной цепи и синтез АТФ тесно взаимосвязаны (сопряжены). При этом ведущим процессом является транспорт электронов, а сопутствующим является фосфорилирование. Участки дыхательной цепи, на которых происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (1, 3, 4 – окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (3,4 комплексы). Если вещество окисляется в длинной дыхательной цепи, то максимально синтезируется три молекулы АТФ.

Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования (Р/О). Он показывает, сколько молекул Н₃РО₄ присоединяется к АДФ при переносе  двух электронов на один атом кислорода,  то есть, сколько синтезируется молекул АТФ при переносе двух электронов на один атом кислорода. Для длинной цепи коэффициент Р/О равен 3, для короткой  - 2.

Механизм окислительного фосфорилирования.

Основной гипотезой объяснения механизма окислительного фосфорилирования стала хемоосмотическая теория П. Митчела.

Согласно ей, при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует энергию, освободившуюся при переносе электронов. Впоследствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала связано с непроницаемостью для протонов внутренней мембраны митохондрий. В результате транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство. Считается, что в матрикс поступает 6 – 10 Н⁺. В результате этого происходит закисление в межмембранном пространстве, возникает перепад рН (ΔрН) и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий, возникает мембранный потенциал.  Совокупность мембранного потенциала и ΔрН и образуют протонный потенциал –ΔμН^+.

В трансформировании протонного потенциала в энергию АТФ участвует фермент АТФ-синтетаза, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Это олигомерный фермент, включает два функциональных участка. Один из них формирует во внутренней мембране гидрофильный  протонный канал, по которому Н⁺ из межмембранного пространства по градиенту концентрации с огромной  скоростью и  энергией возвращается в матрикс. Второй участок – фосфорилирующий  направлен в сторону матрикса. Поток Н⁺ вызывает конформационные перестройки фосфорилирующей части фермента, что сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Н₃РО₄.

Регуляция окислительного фосфолирирования.

Регуляция процессов окисления и фосфорилирования осуществляется путем дыхательного контроля – изменение скорости окисления в дыхательной цепи при изменении соотношения концентраций АТФ и АДФ. При увеличении концентрации АТФ, скорость переноса электронов по дыхательной цепи замедляется, и, наоборот, при увеличении концентрации АДФ скорость переноса электронов увеличивается.

Дыхательный контроль приводит в соответствие процессы образования и использования энергии в организме. В физиологических условиях процессы окисления и процессы синтеза АТФ тесно сопряжены.

Разобщение – частичное или полное прекращение синтеза АТФ при сохранении транспорта электронов по дыхательной цепи. Способствуют частичному разобщению высокие концентрации гормонов щитовидной железы, билирубина, свободных жирных кислот, динитрофенола.

Механизм действия разобщителей заключается в том, что, будучи жирорастворимыми веществами, они обеспечивают транспорт Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий из межмембранного пространства в матрикс, минуя протонную АТФ-азу. Это снижает протонный потенциал и, следовательно, синтез АТФ.

В физиологических условиях частичное разобщение выполняет важную терморегуляторную роль. В норме свободная энергия, равная 52 ккал/моль, распределяется следующим образом: 60% - используется на выполнение работы, 40% на согревание организма. При увеличении теплоотдачи организма при низкой внешней температуре происходит частичное разобщение окисления и фосфолирирования и в результате снижается доля свободной энергии использующейся на работу, но одновременно увеличивается энергия, расходуемая на поддержание температуры тела.

Таким образом, у хемотрофных организмов основным аккумулятором и основным источником энергии является АТФ. АТФ синтезируется из АДФ и расщепляется с образованием АДФ, поэтому в тканях постоянно осуществляется цикл АДФ - АТФ. Пути синтеза АТФ:

транспорт электронов по дыхательной цепи

1. субстратное фосфорилирование – окисление некоторых субстратов обязательно сопровождается синтезом АТФ

2. синтез АТФ из других макроэргов (за счёт креатинфосфата)

3. синтез АТФ из двух молекул АДФ

АТФ является энергетической «разменной валютой» клетки.

Нарушение энергетического обмена.

Снижения энергетического обмена - гипоэргические состояния могут возникать при недостатке кислорода, питательных веществ, повреждении митохондрий, разобщении окислительного фосфорилирования под действием токсинов и микроорганизмов. Для лечения гипоэргических состояний используют цитохромы, КоQ, витамины. В последнее время изучаются и выявляются особенности гипоэргических состояний, которые обозначаются как митохондриальные болезни Их связывают с мутациями ДНК как митохондриальных, так и ядерных

27.Понятие о специфических и общих путях катаболизма. Пировиноградная кислота и ацетил-КоА: пути образования и пути использования в организме. Значение этих процессов. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: суммарная реакция, состав пируватдегидрогеназного комплекса. Витамин В₁ и  пантотеновая кислота. Авитаминоз В₁.

Схема общих путей катаболизма

Катаболизм основных органических веществ протекает в несколько этапов. На первом этапе происходит распад сложных веществ до их составных компонентов: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов - до моносахаридов. Эти реакции специфичны и не сопровождается высвобождением энергии.

На втором этапе образующиеся мономеры с помощью специфических реакций превращаются в два общих продукта распада: пировиноградную кислоту и ацетил-КоА. На втором этапе высвобождается четверть энергии, заключённой в исходных органических веществах.

На третьем этапе общие продукты катаболизма: пировиноградная кислота (ПВК) и ацетил - КоА включаются в дальнейшее окисление. На этом этапе высвобождается 2/3 всей энергии.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Если в процессе катаболизма белков, жиров, углеводов образуется ПВК, для дальнейшего окисления необходим переход её в ацетил-КоА. Этот процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Он включает два вида реакций: окисление и образование СО₂ путём разрушения карбоксильной группы. Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется при участии пируватдегидрогеназного комплекса.

Пируватдегидрогеназный комплекс

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) молекулярной массой 6*10⁶ д., включает в себя три вида ферментов (Е₁-Е₃) и пять видов коферментов. При этом 2 кофермента (НАД и HS-КоА) находятся в свободном состоянии и входят в состав комплекса только в момент реакции. Общий вид реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:

Ферменты пируватдегидрогеназного комплекса

Е₁ – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая;

Е₂ – дигидролипоилацетилтрансфераза (трансацетилаза);

Е₃ – дигидролипоилдегидрогеназа.

Коферменты пируватдегидрогеназного комплекса

1. Тиаминдифосфат (ТДФ, ТПФ), содержащий витамин В₁, кофактор пируватдегидрогеназы.

2. Липоевая кислота, кофактор трансацетилазы.

3. Кофермент ФАД, содержащий витамин В₂, кофактор дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты.

4. Кофермент НАД, содержащий витамин РР.

5. Кофермент НS-КоА, содержащий аденин, рибозу, два остатка фосфорной кислоты, пантотеновую кислоту (витамин В₃).

Окислительное декарбоксилирование ПВК протекает в несколько стадий, в процессе которых двухуглеродный фрагмент, образующийся из ПВК, переносится на липоевую кислоту, а затем на HS-КоА.

Витамины, входящие в состав пируватдегидрогеназного комплекса

В состав ПДК входит пять витаминов (РР. В₂, липоевая кислота, В₁, пантотеновая кислота).

Липоевая кислота

Липоевая кислота - витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя -SH группами. Биологическая роль: является коферментом ПДК, участвует в окислении α - кетокислот.

Пантотеновая кислота, витамин В₃

Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β - аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность в пантотеновой кислоте составляет до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав НS- КоА и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, участвует в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.

Витамин В₁, тиамин, антиневритный витамин

Витамин В₁ включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит аминогруппу. Суточная потребность в нём составляет 2 мг. Тиамин содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента ТДФ и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, а также является коферментом транскетолазной реакции в пентозофосфатном пути окисления глюкозы. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется путём фосфолирирования - дефосфолирирования пируватдегидрогеназы

Активаторами ПДК служат АДФ и НАД окисленный. Ингибиторами этого комплекса являются АТФ и НАДН_2..

Биологическая роль окислительного декарбоксилирования пирувата Биологическое значение процесса окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты заключается в том, что оно является важным этапом катаболизма, позволяющим включаться в цикл Кребса тем веществам, при распаде которых образуется ПВК. Образовавшаяся молекула НАДН₂ окисляется в длинной дыхательной цепи с образованием 3-х молекул АТФ. Окислительное декарбоксилирование пирувата протекает внутри митохондрий.

28. Цитратный цикл (цикл трикарбоновых кислот): последовательность реакций, связь с дыхательной цепью, регуляция, анаболическая роль.

Химизм цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот)

 

В данном цикле происходит полное окисление ацетил-КоА. Цикл начинается с взаимодействия ацетил-КоА с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), а заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) протекает внутри митохондрий.

Биологическое значение цикла Кребса

Энергетическая функция. Энергетическая эффективность выражается количеством молекул АТФ

В цикле Кребса выделяют 3 реакции, идущие с образованием НАДН₂ по схеме:

RH₂  + НАД→ R + НАДН₂.

Их катализируют ферменты изоцитратдегидрогеназа, кетоглютаратдегидрогеназный  комплекс, малатдегидрогеназа.

Образовавшиеся в ЦТК 3 молекулы НАДН₂ в последующем окисляются в длинной ЦПЭ с образованием 9 молекул АТФ (при окислении каждой НАДН₂ синтезируется 3 молекулы АТФ).

В ЦТК одна реакция (сукцинатдегидрогеназная) протекает по схеме:

RН₂ + ФАД→ R + ФАДН₂

Образовавшийся в ЦТК ФАДН₂ окисляется в короткой ЦПЭ, давая энергию для синтеза 2 молекул АТФ.

В сукцинилтиокиокиназной реакции ЦТК непосредственно образуется 1 макроэрг – ГТФ  (1 ГТФ = 1 АТФ).

В целом общая энергетическая эффективность ЦТК составляет 12 молекул АТФ.

Анаболическая функция заключается в том, что некоторые метаболиты цикла Кребса не окисляются в нём, а используются для синтеза новых веществ.

Например, α - кетоглютаровая используется на синтез глютаминовой кислоты. Сукцинил-КоА используется на синтез гема. Ацетил КоА идёт на синтез жирных кислот, холестерина. Щавелевоуксусная кислота может участвовать в синтезе аспарагиновой  кислоты.

Регуляция активности цикла трикарбоновых кислот

Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Они ингибируются высокой концентрацией АТФ и НАДН₂. Активаторами этих ферментов являются АДФ и НАД окисленный.

Лимитирующим фактором цикла Кребса являются запасы щавелевоуксусной кислоты. Запасы щавелевоуксусной кислоты могут пополняться 2 путями:

А) дезаминированием аспарагиновой кислоты по схеме:

аспарагиновая кислота + 1/2О₂  → ЩУК + NН₃

Б) карбоксилированием пировиноградной кислоты по схеме:

ПВК + СО₂ + АТФ → ЩУК.

Взаимосвязь обмена белков, жиров, углеводов.