Добавил:
krasanya
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия-экзамен-1-курс-пед
.pdf
29. Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого
дыхания и окислительного фосфорилирования.
Дыхательный контроль — это прямое ингибирующее влияние электрохимического градиента
на скорость движения электронов по дыхательной цепи. В свою очередь, величина градиента
напрямую зависит от соотношения АТФ / АДФ. Реакции катаболизма направлены на
поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого АДФ.
Возрастание протонного градиента возникает при снижении количества АДФ и накоплении
АТФ (состояние покоя), т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н+ не
проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и
продвижение электронов по цепи замедляется. Ферментные комплексы остаются в
восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН2 на I
и II комплексах, ингибирование ферментов ЦТК и замедление катаболизма в клетке.
Снижение протонного градиента возникает при исчерпании резервов АТФ и избытке АДФ,
т.е. при работе клетки. В этом случае активно работает АТФ-синтаза и через канал Fo проходят
в матрикс ионы H+. При этом протонный градиент снижается, подавление движения электронов
не происходит и поэтому величина потока электронов по цепи возрастает. В результате
повышается выкачивание ионов H+ в межмембранное пространство и снова их быстрое
"проваливание" через АТФ-синтазу внутрь митохондрий с синтезом АТФ.
При переносе электронов по ЦПЭ часть энергии рассеивается в виде теплоты, которая
используется теплокровными животными для поддержания температуры тела. При
использовании АТФ для совершения работы значительная часть энергии также превращается в
теплоту. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить путем
разобщения дыхания и фосфорилирования в процессе адаптации к холоду. При охлаждении в
жировой ткани из симпатических нервных окончаний освобождается норадреналин, который
активирует ТАГ-липазу. При активации липазы в клетках повышается концентрация свободных
жирных кислот, которые способны разобщать тканевое дыхание и окислительное
фосфорилирование, участвуя в транспорте протонов через митохондриальную мембрану.
У новорожденных и зимнеспящих животных разобщение связано с наличием разобщающего
белка - термогенина в бурой жировой ткани. Термогенин близок по структуре к АТФ/АДФ-
антипортеру. Он может переносить анионы жирных кислот, но не обладает способностью к
транспорту нуклеотидов
30. Катаболизм основных пищевых веществ в клетке – углеводов, жиров, аминокислот.
Понятие о специфических и общих путях катаболизма.
Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых
конечных продуктов.
Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа, включающие реакции общих и
специфических путей.
Первый этап
Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах (самообновление клеток) при
расщеплении уже ненужных или лишних молекул. При этом освобождается около 1% энергии,
заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.
Второй этап
Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови,
на втором этапе обычно превращаются
в пировиноградную кислоту (моносахариды в гликолизе),
в ацетил-SKoA, в пируват и другие кетокислоты (в катаболизме аминокислот),
в ацетил-SКоА (при β-окислении жирных кислот).
Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. На этом этапе выделяется около 30%
энергии, заключенной в молекуле, и при этом запасается около 13% от всей энергии вещества
(или примерно 43% от выделенной на этом этапе энергии).
Под специфичными путями
катаболизма понимают реакции,
осуществляемые специфичными
ферментами в специфичных, для
разных классов веществ, реакциях 1 и 2
этапов. После того, как эти процессы
закончатся, образуются пируват и
ацетил-SКоА (в основном) и
начинаются общие пути
превращений. Подразумевается, что
независимо от источника
происхождения пирувата и ацетил-
SKoA (из аминокислот, жирных кислот
или моносахаридов) они попадают в
общий путь катаболизма – 3 этап
биологического окисления.
Третий этап
Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил-SКоА (и кетокислоты) включается в
реакции цикла трикарбоновых кислот, где углероды веществ окисляются до углекислого
газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД, восстанавливают их и после
этого НАДН и ФАДН
2
переносят водород в цепь ферментов дыхательной цепи,
расположенную на внутренней мембране митохондрий. Сюда же отдают свои атомы водорода
молекулы НАДН и ФАДН
2
, образованные на втором этапе (гликолиз, окисление жирных кислот
и аминокислот). В третьем этапе выделяется до 70% всей энергии вещества. Из этого количества
усваивается почти две трети (66%), что составляет около 46% от общей. Таким образом, из 100%
энергии окисляемой молекулы клетка запасает больше половины – 59%.
31. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, характеристика
процесса. Пируватдегидрогеназный комплекс. Регуляция.
Происходит превращение пирувата до уксусной кислоты, переносчиком которой служит
коэнзим А.
Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным
комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса.
В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов:
Пируватдегидрогеназа (Е
1
, ПВК-дегидрогеназа), ее коферментом
является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1-ю реакцию.
Дигидролипоат-ацетилтрансфераза (Е
2
), ее коферментом является липоевая кислота,
катализирует 2-ю и 3-ю реакции.
Дигидролипоат-дегидрогеназа (Е
3
), кофермент – ФАД, катализирует 4-ю и 5-ю реакции.
Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в
работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.
Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется
пируватдегидрогеназой, Е
1
), окислению полученного гидроксиэтила до ацетила и переносу
ацетила на коэнзим А (катализируется дигидролипоат-ацетилтрансферазой, Е
2
).
Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное
состояние (катализируются дигидролипоат-дегидрогеназой, Е
3
). При этом образуется НАДН.
Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса
Регулируемым ферментом ПВК-дегидрогеназного комплекса является первый фермент –
пируватдегидрогеназа (Е1). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза
обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и
дефосфорилирования.
Вспомогательный фермент киназа активируется при избытке конечного продукта
биологического окисления АТФ и продуктов ПВК-дегидрогеназного комплекса
– НАДН и ацетил-S-КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя
ее, в результате первая реакция процесса останавливается.
Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и
активирует пируватдегидрогеназу.
Таким образом, работа пируватдегидрогеназы подавляется при избытке в митохондрии (в
клетке) ацетил-SКоА и НАДН, что позволяет снизить окисление пирувата и, следовательно,
глюкозы в случае, когда энергии достаточно.
Если АТФ мало или имеется влияние инсулина, то образуется ацетил-SКоА. Последний в
зависимости от условий будет направляться либо в цикл трикарбоновых кислот с образованием
энергии АТФ, либо на синтез холестерина и жирных кислот.
32. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов.
Роль цикла в метаболизме.
Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл
трикарбоновых кислот. Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие
из катаболизма аминокислот или каких-либо иных веществ.
Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-
SКоА в восьми последовательных реакциях.
В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с
образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимонной кислоты
до изоцитрата и две реакции дегидрирования с сопутствующим выделением СО
2
и
восстановлением НАД.
В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования.
Далее последовательно происходит ФАД-зависимое дегидрирование сукцината (янтарной
кислоты), гидратация фумаровой кислоты до малата (яблочная кислота), далее НАД-
зависимое дегидрирование с образованием оксалоацетата.
В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.
Функции ЦТК
1. Энергетическая
генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН
и одной молекулы ФАДН2,
синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).
2. Анаболическая. В ЦТК образуются
предшественник гема – сукцинил-SКоА,
кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α-кетоглутарат для
глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,
лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот,
оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы.
33. Цикл лимонной кислоты, схема процесса. Связь цикла с целью переноса электронов и
протонов. Регуляция цикла лимонной кислоты. Анаболические и анаплеротические
функции цитратного цикла.
Цикл лимонной кислоты — это центральный метаболический путь, который протекает в
митохондриальном матриксе. Он играет решающую роль в клеточном дыхании, энергетическом
обмене и генерации промежуточных метаболитов.
Связь с переносом электронов и протонов:
Три фермента цикла лимонной кислоты (изоцитратдегидрогеназа, α-
кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа) несут ФАД или НАД+ в качестве
коферментов. Во время катализируемых ими реакций эти коферменты восстанавливаются
до ФАДН2 или НАДН. ФАДН2 и НАДН переносят электроны в цепь переноса электронов,
где они используются для генерации АТФ.
Регуляция цикла трикарбоновых кислот
Аллостерическая регуляция
Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными
к аллостерической регуляции метаболитами:
Ингибиторы
Активаторы
Цитратсинтаза
АТФ, цитрат,
НАДН, ацил-
SКоА
Изоцитрат-
дегидрогеназа
АТФ, НАДН
АМФ, АДФ
α-Кетоглутарат-
дегидрогеназа
Сукцинил-
SКоА, НАДН
Регуляция доступностью оксалоацетата
Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность.
Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.
Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных
кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата
являются
Пировиноградная кислота
Регуляция активности фермента
пируваткарбоксилазы осуществляется
при участии ацетил-SКоА. Он является
аллостерическим активатором фермента, и
без него пируваткарбоксилаза практически
неактивна. Когда ацетил-SКоА
накапливается, то фермент начинает
работать и образуется оксалоацетат, но,
естественно, только при наличии пирувата.
Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии
большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при
избытке продуктов реакции (NADH, ATФ) тормозится. Регуляция осуществляется и при
помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны,
способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими
гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и
ингибирует реакции цикла Кребса.
Анаболические реакции ЦТК:
● предшественник гема – сукцинил-SКоА,
● кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α-кетоглутарат
● лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот,
● оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы.
Анаплеротическая реакция:
Превращение пировиноградной кислоты в оксалоацетат, главным образом в реакции,
катализируемой пируваткарбоксилазой
Малик-фермент (или малатдегидрогеназа декарбоксилирующая) катализирует реакцию
карбоксилирования и восстановления пирувата в малат. Донором протона и
электронов в этой реакции является NADH, который окисляется до NAD+.