Энергетика переноса электронов.

Знания стандартных восстановительных потенциалов различных биологических систем позволяют определить направление потока электронов. По законам термодинамики электроны будут переходить от системы с наименьшим значением отрицательного потенциала к системе наибольшего положительного потенциала. (от -0,32 к 0, 82)

Зная величины стандартных восстановительных потенциалов можно рассчитать изменение свободной энергии.

- изменение восстановительного потенциала

n – количество переносимых электронов

А – число Фарадея (23 ккал/моль, 95600 кДж)

Если рассчитать для каждой пары, то свободная энергия будет выделяться -220КДж (52,4 ккал/моль)

В физиологических условиях клетки для образования 1 молекулы АТФ необходимо 7,2 ккал/моль.

Используя это уравнение можно рассчитать, что для синтеза 1 молекулы АТФ достаточно разность потенциалов 0,15В (0,15В – точка фосфорилирования (образование АТФ)).

З молекулы АТФ возможно при переносе 1 электрона:

1. Образование от НАД восстановленного до ФАД окисленного.

2. От цитохрома b к цитохрому С1

3. От а3 на кислород

Вся энергия, выделяющаяся при переносе электрона, разделяется по 3 порциям (выделяются 3 молекулы АТФ).

Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием свободной энергии, освобождающейся при окислении веществ в клетке, и сопряженный с переносом электронов, называется окислительным фософрилированием. Оно было открыто в 30-е годы Энгельгардом.

Механизм энергетического сопряжения в митохондриях.

Существуют три теории:

1. Хронологическая – химическая концепция – теория промежуточных факторов сопряжения. Образуются энергетически напряженные соединения, которые с термодинамической точки зрения очень неустойчивые, распадаются с выделением энергии. Сводится все к тому, что субстрат АН₂ взаимодействует с переносчиком электронов посредством х – образуется А~х и ВН₂:

(энергия сосредотачивается в промежуточном веществе)

(Ф – фосфат)

Вся энергия ушла в АТФ.

Имеются какие-то промежуточные вещества, которые аккумулируют свободную энергию и передают её дальше АТФ. Эта гипотеза не объясняет двух фактов:

1. Не удалось доказать реальное существование высокоэнергетических промежуточных продуктов (X и Y).

2. Не ясно, почему для осуществления окислительного фосфорилирования необходима неповрежденная внутренняя мембрана митохондрии.

Химеосмотическая, протондвижущая концепция.

Сформулирована английским биохимиком Питером Митчелом. В основе этой теории лежит положение о том, что внутренняя мембрана митохондрии обладает высоким электрическим сопротивлением и очень низкой проницаемостью для заряженных частиц. Окислительно-восстановительные ферменты расположены вокруг внутренней мембраны. Предполагают, что в ней также содержится система ферментов – протонных насосов, приводимая в действие потоком электронов в дыхательной цепи. Используя энергию, выделившуюся при переносе электронов, «насосы» выкачивают протоны из матрикса в межмембранное пространство против градиента концентрации. В результате этого наружная сторона сопрягающей мембраны (внутренней мембраны) получает положительный заряд, а матриксная сторона заряжается отрицательно. Таким образом на внутренней мембране митохондрии одновременно с градиентом концентрации протонов возникает градиент электрического потенциала. Внутренняя мембрана митохондрии уподобляется конденсатору, поверхность – обкладки конденсатора. Обратный поток протонов по градиенту концентрации из межмембранного пространства в матрикс осуществляется через АТФ-синтетазный комплекс, именно этот поток протонов служит движущей силой для синтеза АТФ. Согласно теории Митчела на каждые два протона, прошедшие через мембрану синтезируется одна молекула АТФ. Т.о. должно содержаться три протонных насоса.

Действие АТФ-синтетазы и образование АТФ – обратимые процессы.

АТФ-синтетаза – состоит из растворимой АТФ-азы – фактор F1 и нерастворимой – FO. Фактор F1 – белок, обладающий сложной четвертичной структурой, состоит из 5 типов субъединиц, предполагают, что состав α3, β3, γ, δ, ε.

Основное каталитическое действие локализовано в месте контакта альфа и бета субчастиц, там находятся активные центры. Альфа обладает сродством к субстрату, а на бета – активные ценры. Дельта и гамма обеспечивают связь между F1 и FO

Епсилан субчастица является ингибитором АТФ-азной активности.

В состав F_O входят 4 типа полипептидов, эти полипептиы относят к числу самых неполярных белков известных в настоящее время, они не содержат триптофан, гистидин. Обогащены глицином, митионином, лейцином, аланином. Встраивание FO в мембрану объясняется его гидрофобной структурой. FO представляет собой тот канал, простирающийся через мембрану, через которой протоны могут проходить к активным центрам АТФ-синтетазы.

Конформационная теория.

Работа митохондрий рассматривается аналогично работе мышц – митохондрии могут сокращаться и расслабляться. По той теории химическая энергия сначала используется для сжатия и лишь затем превращается в химическую энергию АТФ. Эта концепция не получила подтверждение.

Большинство ученых склоняются к хемиосмотической теории.

Углеводы.

Функции углеводов в живых организмах – разнообразны. Углеводы – это единственное органическое вещество, из которого в живых организмах образуется вся другая органика. Именно углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтаза, дальше углерод из углеводов переходит во все остальные органические вещества – белки, аминокислоты, витамины. Основа жизни – это углеводов. Углеводы исользуются на синтез многих органических веществ в живых организмах.

Энергетическая функция, окисляясь углеводы выделяют примерно 16,9 кДж энергии.

Защитная функция – основные компоненты оболочек растительных тканей – углеводы, они участвуют в построении склета насекомых, ракообразны, образуют клеточные стенк бактерий и входят в состав клеточных мембран всех живых организмаов.

Опорная функция – целлюлоза и другие полисахариды растительных клеток не только защищают от внешней среды, но образуют прочный остов растений. В комплексе с белками углеводы являются основой хрящевых и соединительных тканей у млекопитающих.

Регуляторная функция – клетчатка для млекопитающих очень важна, она вызывает механическое улучшает пищеварение. Глюкоза участвует в осмотических процессах

Специфическая функция – углеводсодержащие вещества (гликопротеиды) служат маркерами в процессах узнавания молекул и клеток друг друга. Именно гликопротеиды определяют антигенную специфичность, определяют группу крови. Некоторые полисахариды являются рецепторами для связывания токсинов, бактериальных ядов вирусов.

Углеводы являются запасным питательным веществом. Крахма, фруктезаны – в растениях, гликоген – у млекопитающих.

Все углеводы делят на три класса:

1. Моносахариды (негидрализуемые соединения).

2. Олигосахариды (гидрализуемые), состоят из коротких цепей, образуемых моносахаридов.

3. моносахариды: гомополисахариды (состоят из структурных единиц одного типа) и гетерополисахариды (состоят из разных структурных единиц).