Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28343
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 6. Биологическое окисление

 

 

121

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

H3C

O

CH3

 

 

 

 

 

 

 

CH3

CH3

 

H3C

O

(CH2

CH C CH2)n CH2

CH C

CH3

 

 

O

 

(n = 5-9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Убихинон (кофермент Q)

 

 

O

 

 

O

 

OH

R3

R2

e + H+

R3

R2 e + H+

R3

R2

R3

R1

 

R3

R1

R3

R1

 

O

 

 

OH

 

OH

Окисленная

 

Семихинон

Восcтановленная

 

(форма свобод-

 

форма Q

 

 

 

форма QH2

 

 

 

ного радикала)

 

 

 

 

 

 

HQ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.4. Структура убихинона (кофермента Q).

n — число изопреноидных звеньев. Убихинон может принимать один электрон и превращаться в семихинон или два электрона и полностью восстанавливаться в гидрохинон (убихинол)

кофермента Q и перенос электронов на цитохром c. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и c1, а затем поступают на цитохром c. В то же время протоны за счет энергии, выделяющейся в процессе транспорта e- с цитохрома b на цитохром с, выделяются в межмембранное пространство. Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а3 (комплекс IV на рис. 6.5). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов:

.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома c 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

122

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.5. Сопряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования АДФ посредством протонного градиента

а3 происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Белки, содержащие негеминовое железо. Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов в составе комплексов I и III. Хотя не совсем ясен до настоящего времени механизм их действия.

Окислительное фосфорилирование

Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования АДФ. Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствие АДФ. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O, показывающим, какое количество Рi используется на образование АТФ при превращении одного грамм-атома О2 в Н2О (количество моль фосфорилированного АДФ на 1/2 моль кислорода). Коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения

Раздел 6. Биологическое окисление

123

восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например, для субстратов, окисляемых NAD-зависимой дегидрогеназой, Р/О=3, так как в дыхательной цепи есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АTФ. Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD-зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон, минуя комплекс I. 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 АТФ, 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 АTФ или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТФ, содержащейся в организме, составляет примерно 20–30 г. Итак, можно сделать вывод, что каждая молекула АTФ за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АTФ.

Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ

Существование такого сопряжения доказывается тем, что можно ингибировать образование АТФ, не нарушая процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТФ восстанавливается. Изучение механизма сопряжении дает ответ на основные вопросы:

1)каким образом транспорт электронов служит источником энергии;

2)как эта энергия обеспечивает протекание реакции АДФ + Pi → АТФ. Объясняет механизм сопряжения хемоосмотическая теория. Доказано, что

комплексы I, III и IV цепи переноса электронов функционируют как протонные (Н+)-помпы, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Затрата энергии на выброс протонов из матрикса происходит за счет экзергонических окислительновосстановительных 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 «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрохимических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности. Электрохимический потенциал стимулирует протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзергоническим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на

124

Биологическая химия

фосфорилирование АДФ. Катализирует процесс фермент Н+- АТФ-синтаза, состоящая из протонных каналов, пронизывающих внутреннюю мембрану митохондрии и обращенной в матрикс «головки», состоящей из субъединиц, участвующих в образовании АТФ (рис. 6.5 и 6.7).

Рис. 6.6. Сопряжение переноса электронов через дыхательный комплекс III с транспортом Н+ через мембрану.

Восстановленный убихинон (QH2) взаимодействует с Fe3+ гема b1 и, восстанавливая его, освобождает протон в водную фазу, превращаясь в семихинон (HQ*). Электрон от гема b1 переносится на Fe3+ гема b2. HQ* отдает второй электрон на FeS-центр, расположенный ближе к наружной поверхности мембраны; при этом второй протон оказывается в межмембранном пространстве; электрон передается на цитохром с1, а далее на цитохром с. Окисленный Q диффундирует к внутренней стороне мембраны, где получает электрон от гема b2 и протон из матрикса, превращаясь в HQ*. HQ* получает электрон от комплекса I и протон из матрикса; в мембране образуется QH2, и весь процесс повторяется сначала

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров. Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор) легко диффундирует через мембрану в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов (рис. 6.7 и 6.8).

Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал и синтез АTФ сильно снижается, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в основном рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают некоторые антибиотики, такие, как валиномицин и грамицидин.

Раздел 6. Биологическое окисление

125

 

 

 

 

Рис. 6.7. Механизм разобщения дыхания и фосфорилирования.

Протонированная форма 2,4-динитрофенола переносит протоны через внутреннюю мембрану митохондрий и препятствует образованию протонного градиента

Дыхательный контроль

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией АДФ. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТФ. Концентрация АДФ при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТФ. Таким образом повышение концентрации АДФ стимулирует работу ЦПЭ, а увеличение содержания АТФ ее снижает.

126

Биологическая химия

 

 

 

 

Рис. 6.8. Механизм разобщающего действия жирных кислот:

1— выкачивание протонов дыхательной цепью; 2 — протонирование аниона жирной кислоты; 3 — диффузия протонированной жирной кислоты к внутренней поверхности мембраны; 4 — диссоциация RCOOH с образованием RCOO- и иона Н+; 5 — перенос RCOO- посредством АТФ/АДФ-антипортера или разобщающего белка к наружной поверхности митохондриальной мембраны

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования

Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов. В результате дыхание снижается и человек впадает в сон (при употреблении барбитуратов) либо дыхание прекращается совсем (ингибиторы комплекса IV, например цианиды) и человек умирает (см. рис. 6.2).

Раздел 7

Общий путь катаболизма

Углеводы, белки и жиры — основные компоненты пищи человека, являются многокомпонентными веществами и, прежде чем включиться в метаболизм, подвергаются гидролизу в желудочно-кишечном тракте. Продукты гидролиза, способные всасываться из кишечника в кровь, затем в ходе катаболизма в клетке полностью окисляются, освобождая энергию, используемую для синтеза АТФ.

Одной из основных характеристик процесса катаболизма является соединение метаболических путей в единый процесс, т.е. образование в ходе катаболизма общих метаболитов, окисление которых до конечных продуктов осуществляется с использованием одних и тех же реакций, составляющих общий этап катаболизма. Таким образом, конечным этапом окисления практически всех веществ в организме, имеющих исходно разное строение, являются реакции общего пути катаболизма, изучение которого позволяет понять основные принципы организации процесса метаболизма в организме человека, в ходе которого субстраты полностью окисляются до СО2 и Н2О.

7.1. Основные этапы общего пути катаболизма

В процессе катаболизма можно выделить три основные его части (рис. 7.1):

1.Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкозу, аминокислоты, глицерол, жирные кислоты.

2.Специфические пути катаболизма. На этом этапе простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил-КоА. Ацетил-КоА может образоваться из пирувата, а также из жирных кислот и аминокислот. В специфических путях катаболизма могут образоваться соединения, которые непосредственно включаются в цитратный цикл.

127

128

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.1. Катаболизм основных пищевых веществ:

I — расщепление в пищеварительном тракте; II — специфичные пути катаболизма (1–5);

III — общий путь катаболизма: 6 — окислительное декарбоксилирование пирувата; 7 — цитратный цикл; 8 — дыхательная цепь

Раздел 7. Общий путь катаболизма

129

3. Окислительное декарбоксилирование пирувата, цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов —

СО и Н2О.

Следовательно, начиная со стадии образования пирувата, происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется всего два — пируват и ацетил-КоА. Процесс, начинающийся с окисления пирувата, называется общим путем катаболизма. Именно в общем пути катаболизма образуется основное количество субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТФ.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Суммарный результат многостадийной реакции выглядит следующим образом:

СН

-С-СООН + NAD+ + HS-КоА → СН –С-КоА + NADH + СО

2

3

 

3

 

| |

| |

 

 

О

О

 

Пируват

Ацетил-КоА

 

Реакцию катализируют три фермента, работающие в определенной последовательности и объединенные в пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК), в состав которого входит 5 коферментов.

Этот комплекс ферментов работает подобно конвейеру, в котором промежуточные продукты передаются от фермента к ферменту. Такой принцип повышает эффективность работы ферментов, так как снижает случайность в контакте реагирующих веществ. В табл. 7.1 и на рис. 7.2 приводятся названия ферментов (ПДК) и характеристика катализируемых реакций.

Пируватдекарбоксилаза (Е1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминдифосфат (ТДФ) производное витамина В1. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО2 и присоединение ацетильного остатка к коферменту ТДФ.

Дигидролипоилтрансацетилаза(Е2) — второй фермент комплекса. Катализирует окисление гидроксиэтильной группы и перенос ацетильной группы на липоевую кислоту, а затем на HS-КоА с образованием ацетил-КоА.

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.

Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) — FAD, содержащий флавопротеин, катализирует дегидрирование восстановленной формы липоевой кислоты и перенос водорода на FAD (прочно связанный с ферментом), а затем на свой второй кофермент NAD+, который включается в состав комплекса только во время реакции.

130

Биологическая химия

Таблица 7.1

Пируватдегидрогеназный комплекс млекопитающих

Фермент

 

 

Кофермент

Витамин

 

Пируватдекарбоксилаза (Е1)

 

ТДФ

В1

 

Дигидролипоилтрансацетилаза (Е2)

Липоамид

Липоевая кислота

 

 

 

HS-КоА

Пантотеновая кислота

Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3)

FAD

В2

 

 

 

 

NAD

РР

 

 

 

NAD+

NADH + H+

В ДЫХАТЕЛЬНУЮ ЦЕПЬ

 

 

FADH2

FAD

 

 

 

OH

E3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO2

CH3 CH ТДФ

ЛИПОАТ

ЛИПОАТ

АЦЕТИЛ S KоА

В ЦИТРАТНЫЙ ЦИКЛ

 

АЦЕТИЛ-ТДФ

S S

HS

SH

 

 

 

E1

E2

 

E2

 

 

ПИРУВАТ

ТДФ

АЦЕТИЛ

S

SH

HS — KоА

 

 

 

ЛИПОАТ

Рис. 7.2. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. ТДФ-тиаминдифосфат,

S

Липоат < | — окисленная форма липоевой кислоты,

S

SH

Липоат < — восстановленная форма липоевой кислоты SH

Е1 — пируватдекарбоксилаза катализирует декарбоксилирование пирувата и перенос С2-фрагмента на ТДФ. Е2-трансацетилаза катализирует окисление гидроксиэтильной группы и перенос С2-фрагмента на липоевую кислоту; ацетилированная трансацетилаза взаимодействует с HSKoA с образованием восстановленной формы липоевой кислоты и ацетил-КоА; Е3 — дигидролипоилдегидрогеназа — FAD-содержащий фермент окисляет дигидролипоат с образованием FADH2 в составе фермента, который затем регенерируется при участии NAD+. Липоевая кислота, связанная в молекуле фермента Е2 с остатками лизина, функционирует как «поворотный кронштейн», переносящий атомы водорода и ацетильные группы от одного фермента к другому.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература