10. Биоэнергетика

Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые систе­мы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступ­ление энергии в форме, пригодной для многопланового использования.Биологические виды энергии. Энергетические превращения в живой клет-

ке подразделяют на две группы: локализованные в мембранах и протекающие в цитоплазме. В каждом случае для «оплаты» энергетических затрат используется своя «валюта»: в мембране это ΔμН+ или ΔμNa+, а в цитоплазме – АТФ, креатинфосфат и другие макроэргические соединения. Непосредственным источником АТФ являются процессы субстратного и окислительного фосфорилирования. Процессы субстратного фосфорилирования наблюдаются при гликолизе и на одной из стадий цикла трикарбоновых

кислот. Генерация ΔμН+ и Δ μ Na , используемых для окислительного фосфорилирования, осуществляется в процессе транспорта электронов в дыхательной цепи энергосопря-

гающих мембран. Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может обратимо превращаться в энергию АТФ. Эти процессы катализируются Н+-АТФ-синтазой в мембранах, генерирующих протонный потенциал, или Na+-АТФ-синтазой. Энергия субстратов дыхания утилизируется ферментами фотосинтетической или дыхательной редокс-цепи. Генерируемый потенциал используется для совершения полезной работы, в частности для образования АТФ. Будучи макроэргическим соединением, АТФ выполнняет функцию аккумулирования биологической энергии и ее последующего использования для выполнения клеточных функций. «Макроэргичность» АТФ объясняется рядом особенностей его молекулы. Это прежде всего высокая плотность зарядов, сконцентрированная в «хвосте» молекулы. Продукты этого гидролиза представляют собой АДФ и неорганический фосфат и далее – АМФ и неорганический фосфат. Генерируемый потенциал используется для совершения полезной работы, в частности для образования АТФ. Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом:

С6Н12О6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 2780 кДж/моль

В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энергетическое обеспечение метаболизма. Уравнение С6Н12Об = 2С3Н6О3 + 65 кДж/моль. описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты и протекающего без участия кислорода: Этот путь отражает, энергетическое обеспечение простейших форм жизни, функционировавших в бескислородных условиях. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот, в ходе которого образуются восстановленные дыхательные переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Организация и функционирование дыхательной цепи. В клетках эукариот

расположена во внутренней мембране митохондрий, у дышащих бактерий – в цитоплазматической мембране и специализированных структурах – мезосомах, или тилакоидах. Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов: НАДН-КоQН2-редуктаза (комплекс I), сукцинат-КоQ-редуктаза (комплекс II), КоQН2-цитохром c-редуктаза (комплекс III) и цитохром а-цитохромоксидаза (комплекс IV).

Если субстратом окисления служат α-кетокислоты, в переносе электронов на

НАД+ участвуют липоатсодержащие дегидрогеназы. В случае окисления пролина,глутамата, изоцитрата и других субстратов перенос электронов происходит непосредственно на НАД+. Восстановленный НАД в дыхательной цепи окисляется НАДН-дегидрогеназой, содержащей железосерный белок (FeS) и ФМН и прочно связанной с дыхательной цепью. KoQ (убихинон) который способен находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивалентов, поставляемых в дыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы. Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному типу. Первый участок локализации FeS находится между ФМН и KoQ, второй - между цитохромами b и c1. Это соответствует тому факту, что со стадии ФМН путь протонов и электронов разделяется:1) накапливаются в митохондриальном матриксе, а 2)идут на гидрофобные переносчики - KoQ и цитохромы. Цитохромы в дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно восстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, с1, с, а и а3. Свободное окисление. Задача– превращения природных или неприродных субстратов .Они осуществляются ферментами диоксигеназами и монооксигеназами. Окисление протекает при участии специализированных цитохромов В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восста-

новленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р-450. Окисление

субстрата протекает по следующей схеме:

SH + O2 –> SOH

Механизм действия оксигеназ включает изменение валентности входящих в их

состав ионов двухвалентных металлов (железа или меди). Диоксигеназы присоединяют к субстрату молекулярный кислород, активируя его за счет электрона атома железа в активном центре. Запасание Е происходитв виде богатых Е хим. связей особого класса соединений – нуклеозидтрифосфатов. Существуют высоко энергетические и низко энергетические фосфаты(различаются величиной свободной энергии гидролиза фосфатной связи).Высокоэнергетические фосфаты имеют высокую макроэргическую связь-химическая связь, гидролиз которой характеризуется значениями энергии по­рядка —30 кДж/моль и выше. К ним относят АТФ,АДФ,АМФ,Фн,ионы магния,УТФ,ЦТФ,ГТФ,ТТФ,креатинфосфат, пирофосфат,ацетил-КоА.

Образование этих соединений зависит от Е АТФ,рН(7.0),Т=37.

Варианты освобождения фосфатных связей АТФ:

1.отщепление концевого фосфата АТФ; 2.пирофосфатное расщепление АТФ; Накопление Е может происходить и при гидролизе АДФ.В общем накопление Е в фосфатных связях макроэргов-основа переноса Е в клетке. Выделяют 3 типа перехода Е АТФ:

1.в Е химических связей;

2.в тепловую Е;

3.в Е для совершения работы ( осмотической,механической и др.).