Биологическое окисление. Энергетичский обмен

37. Биологическое окисление. Особенности, функции. Макроэргические соединения. Превращение метаболической энергии в тепло.

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО₂. Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. Окисляемые различные органические вещества (S — субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом. Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование АДФ с образованием АТФ. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТФ. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТФ. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТФ — это энергетически сопряженные реакции. Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием AДФ.

 Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно—восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно—восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью.

38. Характеристика ферментов цепи переноса электронов. Структурная организация дыхательной цепи, ее функции (энергетическая, терморегуляторная) и место в системе дыхания. Дыхательный контроль. Показатель эффективности работы.

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD⁺ (никотинамид—адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков — цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁, С, А, А₃) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно—восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD — зависимой или FAD — зависимой. Если процесс начинается с NAD⁺ , то следующим переносчиком будет FMN. Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся. Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее участниками. NAD — зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD⁺ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода. FAD — зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. NADH — дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент — FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят, называются флавопротеины. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Цитохромы — это гемопротеины — белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем. В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно—восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃. Гемовые группы цитохромов связаны с белковой частью донорно—акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками. QН₂—дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С₁. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С. Протоны после окисления QH₂ освобождаются в раствор.

Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а₃ (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃. Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а₃. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

39. Дегидрирование субстратов и окисление водорода как источник энергии для син­теза АТФ. Окислительное фосфорилирование, его механизм, коэффициент эффектив­ности (Р/О).

Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например Р/О=3, для субстратов, окисляемых NAD — зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР. Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD — зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя первый комплекс. В этом случае Р/О=2. В действительности коэффициент фосфорилирования всегда меньше теоретической величины, потому что часть энергии, высвобождающейся при транспорте электронов, расходуется не на синтез АТР, а для переноса веществ через митохондриальную мембрану.

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20—30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР.

40. Дыхательная цепь. Условия, обеспечивающие физиологический уровень ее работы. Ингибиторы тканевого дыхания. Разобщение дыхания и окислительного фосфорилирова­ния, последствия.

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования 

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР. Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н⁺)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно—восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н⁺ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая — внутри. Митохондрия в результате переходит в Lэнергизованное¦ состояние, так как возникает градиент концентрации Н⁺ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты, ротенон). Существуют также вещества, ингибирующие окислительное фосфорилирование.

Ингибиторы: цитохромы-цианиды; участок от НАД до цитохромов-инсектициды,барбитураты(антибиотики); флавиновые ферменты- наркотики; убихинон-статины.

Разобщители- в-ва,способные переносить протоны ч/з мембрану. Пример: при гипертиреозе-тиреотоксикоз. Симптомы:всегда жарко,истощение,неуправляемость,экзофтальм.

41. Виды биологического окисления, Их особенности, организация, физиологическое значение. Зависимость от условий внешней среды.

Биологическое значение окисления по оксидазному типу:

1. окисляются трудноокисляемые циклические вещества;

2. быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ;

3. образующаяся Н₂О₂ оказывает бактерицидное действие - разрушает клеточные мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.

Окисление оксигеназного типа.

Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий.

Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества.

Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами).

Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диаксигеназами.

Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану.

Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.

1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН2.

2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.

3. Цитохром Р450. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р450, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

42. Микросомальное окисление, его организация, функции, связь с условиями внеш­ней среды. Возможные побочные эффекты.

Существуют 2 типа внемитохондриального окисления.

Окисление оксидазного типа.  Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н₂О₂ - перекиси водорода.

Оксидаз в клетке немного, и субстратов для них тоже мало. Эти ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и невысокой активностью.

1. Моноаминоксидазы (МАО) - окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. 

2. Диаминоксидазы (ДАО) - окисляют гистамин и другие диамины и полиамины. 

3. Оксидаза L-аминокислот. 

4. Оксидаза D-аминокислот.

Ксантиноксидаза - окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с участием воды.

43. Свободно-радикальное окисление, образование активных форм кислорода (АФК), физиологическое значение. Условия, активирующие процесс, последствия активизации (ПОЛ). Антиоксидантная защита. Витамины-антиоксиданты.

Активные формы кислорода

Молекула кислорода (О₂) содержит два неспаренных электрона и. таким образом, является бирадикалом. Однако неспаренные электронырасположены так, что молекула О₂ остается относительно стабильной. Тем не менее, если молекула присоединяет дополнительный электрон(стадия а), образуется высоко реакционноспособный супероксид-радикал (•О₂^-) Следующая стадия восстановления (стадия б) приводит кпероксид-аниону (•О₂^2-), который легко связывает протоны и вследствие этого переходит в пероксид водорода (Н₂О₂). Присоединение третьегоэлектрона (стадия в) ведет к расщеплению молекулы на ионы О^2- и О^- . В то время как О₂^- путем присоединения двух протонов образует воду,протонирование О^- приводит к особо опасному гидроксил-радикалу (•ОН). Присоединение четвертого электрона и заключительноепротонирование О^- заканчивается образованием воды.

Образование АФК катализируют, например, ионы железа. АФК постоянно производятся при взаимодействии О₂ с ФМН (FMN) или ФАД (FAD) (см. с.108). Напротив, восстановление О₂ цитохром с-оксидазой ничем не осложнено (протекает без накопления АФК), так как этот фермент не высвобождает промежуточные продукты в среду. Наряду с антиоксидантами (схема Б) имеются ферменты, которые также препятствуют образованию свободных АФК. Например, супероксид-дисмутаза [1] вызывает диспро-порционирование двух супероксид-радикалов на О₂ и менее опасный Н₂О₂. Последний снова диспропорционируется на О₂ и Н₂О гемсодержащей каталазой [2].

Природные антиоксиданты

Для защиты от АФК и других радикалов все клетки содержат антиоксиданты. Последние являются восстановителями, которые легко реагируют с окисляющими веществами и вследствие этого защищают более важные молекулы от окисления. К биологическим антиоксидантам принадлежат витамины С и Ε (см. сс. 352, 355), кофермент Q (см. с. 142) и некоторые каротиноиды (см. сс. 58, 352). Образующийся при разрушении гемабилирубин (см. с. 196) также служит защитой от окисления. Особенно важен глутатион, трипептид Glu-Cys-Gly, находящийся почти во всех клетках в высокой концентрации. Глутатион содержит нетипичную γ-связь между Glu и Cys. Восстановителем здесь является тиольная группа цистеинового остатка. Две молекулы восстановленной формы (GSH, на схеме вверху) при окислении образуют дисульфид (GSSG, на схеме внизу).

44. НАД- и ФАД- зависимые дегидрогеназы. Строение, функции. Витамины РР и В₂.

Витамин В₂ (рибофлавин).

Св-во В₂ легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биолог. действия в клеточном метаболизме. Специфичными для авитаминоза В₂ являются воспалительные процессы слизистой оболочки языка, катаракта (помутне- ние хрусталика), развивает­ся общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы. В₂ входит в состав флавиновых коферментов ФМН и ФАД являющихся простетическими груп­пами ферментов-флавопротеинов. * осу­ществляют прямое окисление с участием О₂, т.е. дегидрирование (отщеп- ление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. Также реакции, катализируемые флавопротеинами, характеризуется переносом электронов от восстановленных пиридиновых коферментов. Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом окислении. В₂ содержится в хлебе, яйцах, молоке, мясе, свежих овощах. Сут. потребность 1,7 мг. Витамин РР (никотиновая кислота)

отсутствие является причиной заболевания - пеллагра. Хар-ми признаками авитаминоза РР, т.е. пеллагры дерматиты, диарея и нарушения нервной деятельности. РР входит в состав НАД и НАДФ, являющихся коферментами обратимо действующих в о-в реакциях дегидрогеназ. В процессе биолог. окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами. Источники рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь. Сут. потребность 18 мг.

Витамин РР (никотиновая кислота)

отсутствие является причиной заболевания - пеллагра. Хар-ми признаками авитаминоза РР, т.е. пеллагры дерматиты, диарея и нарушения нервной деятельности. РР входит в состав НАД и НАДФ, являющихся коферментами обратимо действующих в о-в реакциях дегидрогеназ. В процессе биолог. окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами. Источники рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь. Сут. потребность 18 мг.

45. Нарушения энергетического обмена, причины. Гипоэнергетические состояния и их последствия.

Гипоэнергетические состояния

Наиболее частой причиной гипоэнергетических состояний является гипоксия, возникновение которой в свою очередь связано с нарушением:

• поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О₂ во вдыхаемом воздухе или нарушении легочной вентиляции;

• транспорта кислорода в ткани при нарушении кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

• функций митоходрий, вызванное действием ядов, разобщителей.

Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Так, витамин В₁ входит в состав тиаминдифосфата, В₂ является составной частью FMN и FAD, витамин РР в виде никотинамида входит в состав NAD⁺ и NADP⁺, пантотеновая кислота — в состав кофермента А, биотин также выполняет коферментную функцию активации СО₂.

46. Окислительное декарбоксилирование пирувата, связь с цитратным циклом и дыха­тельной цепью, участие витаминов. Регуляция, физиологическое значение, последствия нарушений

Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и в свою очередь включает:

• окислительное декарбоксилирование пирувата

• цитратный цикл.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТР.

Этот комплекс ферментов работает подобно конвейеру, в котором продукт передается от фермента к ферменту. Такой принцип повышает эффективность работы ферментов, так как снижает случайность в контакте реагирующих веществ с ферментом. Далее приводятся названия ферментов и характеристика катализируемых реакций.

1. Пируватдекарбоксилаза (1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминдифосфат — производное витамина В₁. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО₂, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте — коферменту второго фермента. Получается ацетил—липоат.

2. Дигидролипоат—ацетилтрансфераза(2) — второй фермент комплекса. Катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS—СоА с образованием ацетил—СоА. Таким образом, в этой реакции участвуют два кофермента: липоевая кислота, прочно соединенная с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Водород остается связанным с липоевой кислотой, которая превращается в дигидролипоат.

3. Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (3) отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD⁺. Далее водород транспортируется дыхательной цепью

Главные продукты реакции — это NADH+H⁺ и ацетил—СоА. NADH+H⁺ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил—СоА окисляется в цитратном цикле. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.