• Биологическое окисление, ферменты дыхательной цепи.

Живой организм постоянно нуждается в энергии для выполнения различных биосинтезов , механической работы, транспорта молекул и ионов. Процесс биологического окисления представляет систему окислительно- восстановительных реакций, роль которых состоит в обеспечении организма животного энергией, получаемой за счёт восстановительных органических соединений.Основными экзогенными источниками(субстратами) энергии в организме являются углеводы, жиры, белки. Окислительно – восстановительные реакции представляют основной источник биохимической реакции. Реакции окисления и восстановления протекают в органах и тканях одновременно и не могут существовать отдельно. Они протекают в митохондриях.Митохондрии имеют наружные и внутренние мембраны. Молекулы, участвующие в реакциях образования АТФ, располагаются на внутренних митохондриальных мембранах.Для окисления субстратов на внутренних митохондриальных мембранах сосредоточены ферменты цепи биологического окисления в виде «дыхательных ансамблей», относящиеся к различным дегидрогеназам (класс ферментов оксидоредуктаз) и выполняющие роль промежуточных переносчиков электронов от исходного субстрактадонора к конечному акцептору.Транспорт протонов и электронов по цепи ферментов-переносчиков определяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов между акцепторами. Отдельные акцепторы цепи биологического окисления осуществляют транспорт протонов и электронов, тогда как другие акцепторы способны переносить лишь электроны. Принимая электроны, акцептор восстанавливается, а затем, отдавая их, он вновь переходит в окисленное состояние. На последнем этапе фермент-переносчик передает электроны на кислород, конечный акцептор электронов, который в результате восстанавливается до молекулы воды. Последовательность реакций биологического окисления носит название «дыхательной цепи».На первом этапе восстановительный субстрат передает два атома водорода (2 протона и 2 электрона) на конфермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) дегидрогеназы:

Суб. – Н2 + НАД+ >>Суб. = НАДН + Н+

В данной реакции на первом атоме углерода в структуре витамина В5 фиксируется один атом водорода и электрон, тогда как другой свободный ион Н+ остаётся в цитозоле. Если первым переносчиком атомов водорода является НАД+, то следующим переносчиком служит Флавиномононуклеотид (ФМН) – производное витамина В2:

НАДН+ + Н+ ФМН>>НАД+ + ФМНН2

Возможен перенос атомов водорода с субстрата, минуя НАД+, на ФАД (флавинадениндинуклеотид). Активной частью структуры ФМН и ФАД является изоаллоксазиновое кольцо. В обоих случаях на следующем этапе дыхательной цепи восстановленный ФМН или ФАД передает атомы водорода на KoQ(убихинон)

ФМНН2 + KoQ + ФМН >>KoQH2

Следующий этап дыхательной цепи составляют белки- ферменты семейства цитохромов. Все цитохромы представляют собой гемопротеины. Характерной особенностью гема цитохромов является перенос ими только электронов атомов водорода, тогда как протоны переходят в окружающую среду. В начале восстановленная форма KoQ(KoQ-H2) передает два электрона на две молекулы цитохрома b, имеющие в составе гема трехвалентное железо:

KoQH2 + 2 цит. B (Fe+3)>>Koq + 2 H+ + 2 цит. B (Fe+2)

Затем эти электроны с цитохрома b передаются последовательно на другие цитохромы.

Каждый переносчик дыхательной цепи в восстановленом состоянии является более высокоэнергетическим соединением по сравнению с восстановленной формой последующего переносчика. Таким образом, последовательно электроны переходят на более низкий энерггетический уровень, сопровождаясь порциальным выделением энергии. Высвобождающаяся при этом свободная энергия не может быть полностью использована организмом. Около 50% её рассеивается в организме в виде тепла. Другая часть энергии окисления субстрата преобразуется в «макроэргетические» соединения, из которых важнейшим в количественном плане является АТФ (аденозинтрифосфат). Этот процесс получил название окислительного фосфорилирования. Перенос электронов в дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из митохондриального матрикса и генерированию мембранного потенциала. Обратный поток протонов в матрикс сопровождаетсясинтезом молекул АТФ из неорганического фосфора и АДФ. Потоки электронов на различных участках дыхательной цепи могут быть ингибированны отдельными химическими реагентами, антибиотиками. Условно ингибиторы можно разделить на три группы: ингибиторы собственно дыхательной цепи(барбитураты, сероводород, окись углерода, цианиды); ингибиторы окислительного фосфорилирования (антибиотик олигомилицин); разобщители окислительного фосфорилирования (2,4 – динитрофенол).

• Окислительное фосфорилирование. Роль АТФ в организме.

В основе процесса синтеза АТФ лежит реакция окислительного фосфорилирования аденозиндифасфата (АДФ) в присутствии неорганического фосфата (Фн) в сопряжении с реакцией биологического окисления в митохондриальной мембране. Сущность этого процесса заключается в том, что образование АТФ сопряжено с переносом Н+ и электронов в митохондриальной мембране. Главнымферментом на этой последней стадии процесса является аденозинтрифосфатаза (Н+ -АТФаза). Высвобождающаяся при этом свободная энергия не может быть полностью использована организмом. Около 50% её рассеивается в организме в виде тепла. Другая часть энергии окисления субстрата преобразуется в «макроэргетические» соединения, из которых важнейшим в количественном плане является АТФ (аденозинтрифосфат). Этот процесс получил название окислительного фосфорилирования. АТФ играет центральную роль в клеточном метаболизме. АТФ обеспечивает основную долю химической энергии, которая может быть использована для выполнения химической, осмотической и механической работы. Все формы жизни используют АТФ как фундаментальную единицу биомеханической энергии. Процесс окислительного фосфорилирования протекает в митохондриях. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит компоненты дыхательной системы и АТФ-синтазу, учавствующую в образовании АТФ. Поэтому 90% кислорода, потребляемого организмом, метаболизируется внутри митохондрий. Окисление субстратов, в случае аэробных условий, свидетельствует, что оно возможно и в анаэробных условиях, когда в тканях имеет место дефицит кислорода. В этом случае конечным акцептором водорода будет не свободный кислород, а кислород при двойной связи какого-либо соединения, например, пировиноградной кислоты.

3.Ферменты. Простые и сложные ферменты.

Ферменты – белки, выполняющие специфическаие функции катализа химическийхреакции. Ферменты имеют уникальные свойства: они представляют самые эффективные катализаторы в природе. Есть две важные характеристики фермента: во-первых, фермент не изменяется, вступая в реакцию, и выходит из реакции в первоначальном состоянии; во-вторых, фермент не изменяет положения равновесия реакции, он лишь ускоряет течение химической реакции (достижение равновесия). Таким образом, фермент ускоряет реакцию без изменения термодинамических свойств системы, с которой он взаимодействует. У простых ферментов (однокомпонентных, т.е. состоящих только из полипептидных цепей) ряд функциональных групп определённых аминокислот формирует активный центр молекулы, который обеспечивает непосредственное взаимодействие её с субстратами. У сложных ферментов различают апофермент, или белковую часть молекулы, которая в свободном виде не обладает ферментативной активностью, и небелковый компонент – кофермент (кофактор), или простетическую группу, который определяет активность молекулы фермента. Соединение апофермента и небелкового компонента осуществляется в основном за счёт водородных, ионных связей. Обычно связь между коферментами и белком слабее, чем свзяь между простетической группой и белком. В ферментативной реакции кофермент проявляет относительную самостоятельность. Небелковая часть двухкомпонентных ферментов выступает как акцептор, или как донор атомов, функциональных групп. Она является составной частью активных центров сложных ферментов. Небелковый компонент осуществляет контакт между апоферментом и субстратом, непосредственно участвуя в катализе. Коферменты могут быть представлены органическими веществами (нуклеотиды, витамины) или неорганическими веществами (металлы). В частности, важную роль в биохимических процессах играет кофермент А (HS-КоА). Его структура включает адениловый нуклеотид, соединённый с пантотеновой кислотой, которая связана, в свою очередь, с b-аминоэтантиолом. Помимо активных каталитических центров, многие сложные ферменты имеют и регуляторные, или аллостерические, центры. Такие ферменты получили название аллостерических. Аллостерические ферменты являются олигомерами, а значит, они состоят из нескольких отдельных белковых мономеров (протомеров).

4.Активные и аллостерические центры ферментов.

У простых ферментов( «однокомпонентных» , т.е. состоящих только из полипептидных цепей) ряд функциональных групп определённых аминокислот формирует активный центр молекулы, который обеспечивает непосредственное взаимодействие её с субстратом. Часто в активных центрах ферментов иеются следующие аминокислоты серин, тирозин, аргинин, гистидин, лизин, цистеин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Количество активных центров у разных ферментов может быть различным. Аминокислоты, образующие активные центры, располагаются в различных местах полипептидной цепи, но в пространственной близости друг к другу с заданной определенной конформацией. Активный центр составляет сравнительно небольшую часть от общего объема молекулы фермента. Помимо активных каталитических центров, многие сложные ферменты имеют и регуляторные, или аллостерические, центры. Такие ферменты получили название аллостерических. Аллостерические центры служат для связывания эффекторов (лигандов)-реагентов, регулирующих активность фермента. При связывании фермента с эффектором происходит изменение конформации белка с изменением третичной структуры белковой молекулы, что сопровождается увеличением или снижением каталитической активности фермента.

Аллостерические эффекторы являются продуктами нормального метаболизма клетки, и их эффект зависит лишь от концентрации того или иного эффектора в условиях организма животного. Эффектором могут быть небольшие органические молекулы, такие как АТФ, или белковые молекулы. Эффекторы, которые вызывают изменение активности фермента, рассматриваются как модуляторы. Они могут выступать как активаторы или как ингибиторы. Эффекторы-активаторы повышают сродство фермента к субстрату. Обратный эффект вызывают эффекторы-ингибиторы.