Практическое занятие № 6

ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Энергетический обмен. Окислительноефосфорилирование и транспортные системы митохондрий.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Изучить строение мембран и митохондрий, ферментативные реакции, протекающие в матриксе митохондрий и компоненты дыхательных цепей. Создать представление об АТФ как универсальноммакроэрге. Разобрать хеми-осмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилированияМитчела,разобщение окисления и фосфорилирования в норме и при патологии, коэффициент сопряжения окисления и фосфорилирования (Р/О). Сформировать навык подсчета энергитической эффективности биохимических циклов.Изучить роль бурой жировой ткани.

БАЗИСНЫЕ ЗНАНИЯ: Курс органической химии

УЧЕБНАЯ КАРТА ЗАНЯТИЯ:

Значение темы. Понимание механизмов энергетического обмена, его особенностей в норме и при патологии. Роль бурой жировой ткани в терморегуляции детей 1 года жизни.

Продолжительность занятия- 180 минут

Вводная часть – 5 минут

Входной контроль – 10 минут

Опрос- 60 минут

Решение тестовых заданий и ситуационных задач с их обсуждением- 50 минут

Особенности детского организма -30 минут

Домашнее задание на следующее занятие – 5 минут

Основные вопросы по теме:

1.Энергетический обмен. АТФ как универсальный макроэрг. Особенности структуры.

2.Механизмы образования АТФ в клетке (субстратное и окислительное фосфорилирование).

3.Строение митохондрии. Ферментативные реакции, протекающие в матриксе митохондрий. Судьба атомов водорода (2H⁺ и 2е¯), покинувших окисляемые субстраты в составе НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ, катализирующих окислительные стадии цикла Кребса.Дыхательные цепи – . Локализация.

4.Компоненты дыхательных цепей (флавопротеид, КоQ, цитохромыb, c1, c, a, a3). Особенности строения. Биологическая роль. Ред/окс потенциалы каждого из компонентов.

5.Окислительное фосфорилирование и его роль. Хеми-осмотическая теория сопряжения окисления и фосфорилированияМитчела.

Коэффициент сопряжения окисления и фосфорилирования (Р/О).

Метаболические нарушения. Разобщение окисления и фосфорилирования в норме и при патологии.

Теоретическая часть.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Кислородное окисление - окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:

О₂ + e^— → О₂^—.

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О₂^—), с другой — положительно (за счет Н⁺). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.

Схема 1. Дыхательная цепь.

1 — наружная мембрана; 2 — межмембранное пространство, протонный резервуар; 3 — цитохромы; 4 — АТФ-синтетаза.

При перфорации внутренних митохондриальных мембран окисление НАД·Н₂ продолжается, но АТФ-синтетаза не работает и образования АТФ в дыхательной цепи не происходит, энергия рассеивается в форме тепла (клетки «бурого жира» млекопитающих).

Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ + Q_т,

где Q_т — тепловая энергия.

Схема 2. Синтез АТФ в митохондрии.

Схема 3.

Практическая часть.

Ответьте на вопросы тестовых заданий

Выберите правильные ответы.

Метаболизм представляет собой совокупность химических реакций, в результате которых происходит:

1. распад органических веществ в клетках до углекислого газа и воды

2. трансформация энергии органических веществ в энергию макроэргических связей

3. синтез структурно – функциональных компонентов клетки

4. превращение пищевых веществ в соединения, лишенные видовой специфичности

5. использование энергии катаболических процессов для обеспечения функциональной активности организма Ответ: 1,2,3,5

Выберите правильные ответы.

Конечные продукты метаболизма

1. аминокислоты

2. вода

3. глюкоза

4. мочевина

5. углекислый газ Ответ: 2,4,5

Выберите правильный ответ.

Субстратами биологического окисления могут быть:

1- крахмал, гликоген, лактоза, липиды пищи

2- собственные белки крови и тканей

3- нуклеиновые кислоты и другие высокомолекулярные соединения

1. аминокислоты, глюкоза, ВЖК, оксикислоты, глицерол Ответ: 4

Выберите правильные ответы.

Ферменты тканевого дыхания различаются:

1- химическим строением кофакторов

2- величиной редокс-потенциала

3- механизмом действия

1. принадлежностью к разным классам ферментов Ответ: 1,2,3

Выберите правильные ответы.

Типы дыхательных цепей различаются:

1- субстратами окисления

1. числом участвующих ферментов

2. величиной редокс-потенциала окисляемого субстрата

3. локализацией в органоидах клетки Ответ: 1, 2,3

Выберите правильные ответы.

Биологической сущностью I стадии биологического окисления является

1. образование более сложных молекул

2. включение I общего пути катаболизма

3. образование центрального ключевого метаболита – ацетил-КоА

4. участие исключительно окислительно-восстановительных процессов Ответ:2, 3

Выберите правильный ответ.

Выберите ферменты, катализирующие реакцию, непосредственно сопряженную с синтезом АТФ в митохондриях:

1. АТФ-синтаза

2. НАДНН⁺ – дегидрогеназа

3. QН₂ - дегидрогеназа

4. НАД- зависимая - дегидрогеназа

5. цитохромоксидаза Ответ 1

Выберите правильные ответы.

Ферменты класса оксидоредуктаз:

1. простые ферменты

2. холоферменты

3. мультиферментные комплексы

4. переносчики электронов

5. находятся только в цитозоле клетки

6. находятся в митохондриях и цитозоле Ответ 2, 6

Установите правильную последовательность расположения ферментов в дыхательной цепи при окислении изоцитрата:

1. цитохром в

2. СоQ (убихинон)

3. первичная НАД-зависимая дегидрогеназа

4. цитохром с

5. цитохром с₁

6. цитохромоксидаза аа₃

7. НАДНН-ДГ ( ФМН-зависимая) Ответ 3,7, 2, 1, 5, 4, 6

Выберите правильные ответы.

В процессе тканевого дыхания происходит:

1. окисление восстановленныхкофакторов

2. транспорт водорода (электронов и протонов) от окислемых субстратов на

кислород воздуха

3. образование конечного продукта биологического окисления СО₂

4. восстановление кислорода (полное)

5. образование конечного продукта биологического окисления – эндогенной

воды

6. максимальное извлечение энергии из окисляемых субстратов

7. использование газообразного водорода Ответ 1, 2, 4, 5, 6

Установите правильную последовательность расположения ферментов в дыхательной цепи при окислении сукцината:

1 -СоQ (убихинон)

1. -цитохром в

2. -первичная анаэробная ФАД-зависимая дегидрогеназа

3. -цитохром с

4. -цитохром с₁

5. -цитохромоксидаза аа₃ Ответ 3, 1, 2, 5. 4, 6

Выберите правильный ответ.

Сколько молей АТФ может синтезироваться при окислении 1 моль пируватадо Ацетил – КоА

1. 3 моль

2. 5 моль

3. 12 моль

4. 15 моль Ответ 1

Задача № 1

Ротенон (токсичное вещество, вырабатываемое одним из видов растений) резко подавляет активность митохондриальной НАДН-дегидрогеназы. Токсичный антибиотик антимицин сильно ингибирует окисление убихинола. Допустим, что оба эти вещества блокируют соответствующие участки дыхательной цепи с равной эффективностью. Какой из них будет при этом более мощным ядом? Дайте аргументированный ответ.

Для обоснования ответа вспомните:

1. Что такое блокаторы дыхательной цепи?

2. На каких участках дыхательной цепи поступает водород от НАДН и ФАДН₂?

Ответ к задаче №1

Более мощным ядом будет антимицин, так как он блокирует поступление водорода на участке от убихинола, а значит водород не поступает не только от ФАД-зависимых дегидрогеназ, но и от НАДН-дегидрогеназы.

Задача № 2

К препарату изолированных митохондрий добавили амитал. Отразится ли это на потреблении кислорода?

Для обоснования ответа вспомните:

1. Как действует амитал на дыхательную цепь?

2. На каком участке дыхательной цепи он проявляет своё действие?

Ответ к задаче №2

Потребление кислорода снизится, так как блокируется убихинолдегидрогеназа.

Задача №3

2,4-ДНФ (сильный разобщающий агент) пытались одно время использовать для борьбы с ожирением. Теперь такого рода разобщающие агенты уже не применяются в качестве лекарственных препаратов, поскольку известны случаи, когда их применение приводило к летальному исходу. На чем могло быть основано такое использование 2,4-ДНФ? Почему прием разобщающих агентов может вызвать смерть?

Для обоснования ответа вспомните:

1. Что такое разобщители?

2. На чём основано действие 2,4-ДНФ?

3. Изменится ли скорость окисления в дыхательной цепи в присутствии 2,4-ДНФ?

Ответ к задаче №3

Разобщители повышают потребление кислорода и скорость переноса электронов по дыхательной цепи, но разобщают окисление и фосфорилирование. В результате образование АТФ резко снижается, что может вызвать смерть.

Задача № 4

Некоторые бактерии, дрожжи, паразитирующие черви не нуждаются в кислороде. Какой из двух способов образования АТФ используется у этих организмов для аккумуляции энергии?

Для ответа вспомните:

1. Что такое фосфорилирование?

2. Что такое субстратное и окислительное фосфорилирование?

3. Чем эти виды фосфорилирования отличаются друг от друга?

Ответ к задаче №4

Для аккумуляции энергии у данных организмов используется субстратноефосфорилирование.

Задача № 5

Добавление к митохондриям олигомицина вызывает снижение как переноса электронов от НАДН к О₂, так и скорости образования АТФ. Последующее добавление 2,4-ДНФ приводит к увеличению скорости переноса электронов без сопутствующего изменения скорости синтеза АТФ. Какую реакцию ингибирует олигомицин?

Для ответа вспомните:

1. Чем является 2,4-ДНФ для дыхательной цепи?

2. Чем действие блокаторов отличается от действия разобщителей?

Ответ к задаче №5

Олигомицин блокирует протонную АТФ-синтетазу, поэтому синтеза АТФ не происходит.

Задача № 6

Немедленное введение метиленовой сини оказывает очень эффективное лечебное действие при отравлении цианидами. Какова основа её противотоксического действия, если учесть, что метиленовая синь способна окислять часть гемоглобина (Fe²⁺) крови в метгемоглобин (Fe³⁺)?

Для ответа вспомните:

1. В чём сходство простетических групп цитохромов и гемоглобина?

2. С железом какой валентности связываются цианиды?

Ответ к задаче №6

После того, как метиленовая синь переводит часть гемоглобина в метгемоглобин, цианиды получают возможность связываться не с цитохромом а₃ клеток, а с метгемоглобином в эритроцитах, который содержит необходимое для связывания трехвалентное железо.

Задача № 7

В инкубационную среду с изолированными митохондриями добавили АДФ. Как это повлияет на способность митохондрий поглощать кислород?

Для обоснования ответа:

1. Напишите схему цикла Кребса и дыхательной цепи.

2. Вспомните, что такое дыхательный контроль?

Ответ к задаче №7

Скорость поглощения кислорода митохондриями увеличится, так как АДФ является активатором работы дыхательной цепи.

Задача № 8

В инкубационную смесь внесены митохондрии, избыток субстрата и ограниченное количество АДФ. Как будет изменяться со временем скорость поглощения кислорода и почему?

Для обоснования ответа:

1. Напишите схему цикла Кребса и дыхательной цепи.

2. Вспомните, что такое дыхательный контроль?

Ответ к задаче №8

Сначала скорость поглощения кислорода увеличится, а со временем снизится, так как АДФ в ходе реакции превращается в АТФ.

Задача № 9

При добавлении к суспензии митохондрий изоцитрата скорость поглощения кислорода увеличивается. При добавлении малоната - снижается. Почему прекращается потребление кислорода?

Для ответа:

1. Напишите реакцию, которая активируется изоцитратом.

1. Укажите, какой промежуточный метаболит цикла Кребса накапливается при добавлении малоната и почему?

2. Каким образом можно восстановить скорость дыхания?

Ответ к задаче №9

Малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы, поэтому работа цикла Кребса затормозится. Восстановленные коферменты не поступают в дыхательную цепь, и потребление кислорода снижается.

Задача № 10

В эксперименте к изолированным митохондриям добавили малат. Чему равен коэффициент Р/О для малата?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Напишите реакцию окисления малата и укажите фермент.

Ответ к задаче №10

Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) для малата равен 3, так как малатдегидрогеназа является НАД-зависимым ферментом.

Задача № 11

В эксперименте к изолированным митохондриям добавили сукцинат. Чему равен коэффициент Р/О для сукцината?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Напишите реакцию окисления сукцината и укажите фермент.

Ответ к задаче №11

Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) для сукцината равен 2, так как сукцинатдегидрогеназа является ФАД-зависимым ферментом.

Задача № 12

К суспензии митохондрий с цитратом добавили амитал. Как изменится коэффициент Р/О?

Для обоснования ответа:

1. Вспомните, что такое коэффициент Р/О?

2. Чему равен Р/О для изоцитрата?

3. Как влияет амитал на работу дыхательной цепи?

Ответ к задаче №12

Коэффициент фосфорилирования ( Р/О) будет меньше 3, так как амитал является блокатором дыхательной цепи. Перенос электронов с изоцитрата будет заблокирован.

Задача №13

Митохондрии бурого жира постоянно находятся в разобщенном состоянии. В чем биологический смысл данного феномена?

1.Чем обусловлен бурый цвет ткани?

2. Почему эта ткань в заметных количествах присутствует у новорожденных, а у взрослых сохраняется в следовых количествах?

Ответ к задаче №13

Бурый жир выполняет термогенную функцию, что особенно важно для новорожденных, так как у них не сформирована система терморегуляции. Бурый цвет ткани обусловлен большим количеством цитохромов.

Практические навыки, которыми должен овладеть студент по теме занятия. Уметь осуществить подсчет энергетической эффективности биохимических циклов.

Темы реферативных сообщений: Характеристика бурой жировой ткани, роль бурой жировой ткани в терморегуляции детей 1 года жизни.