Биологическое окисление Обмен энергии Катаболизм

Биологическое окисление

Обмен энергии

• Катаболизм – реакции, в которых сложные вещества распадаются на более простые. Сопровождаются выделением энергии. • Анаболизм – реакции, в которых из простых веществ синтезируются сложные вещества. Сопровождаются потреблением энергии. Энергия Тепло АТФ

АТФN N NH 2 O OHOH HH H CH 2 H OOH PPOO OO OHP O HO OH Ангидридные связи

Синтез АТФ в митохондриях β — окисление ЖК Цикл Кребса Цепь ОФСинтез АТФ в цитоплазме гликолиз

АДФ + Фн АТФ Механизмы синтеза АТФ Энергия электрохимического потенциала 2. Окислительное фосфорилирование АДФ (А-Ф ~ Ф) АТФ (А-Ф ~ Ф ) Энергия химической связи 1. Субстратное фосфорилирование Субстрат ~ Ф Продукт НАД Н 2 + ½ О 2 НАД + + Н 2 ОСубстрат- H 2 Продукт НАД + ~

Митохондрии Ключевую роль в энергетическом обмене клетки играют митохондрии 1. Наружная мембрана (содержит белок порин – поры 2 -3 нм, высокая проницаемость молекул до 5 к. Да. Также есть переносчики для крупных молекул) 2. Межмембранное пространство (10 -20 нм, состав похож на цитоплазму) 3. Внутренняя мембрана (имеет складки, содержит белки 70% (ферменты ЦОФ, транспортные), фосфолипид кардиолипин с 4 ЖК, непроницаема для протонов ) 4. Матрикс (до 50% белков: ферменты ЦТК, β -окисления ЖК, АТ и др. , мт. ДНК, мт. РНК, рибосомы )

Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК • NADH-дегидрогеназа (комплекс I) • Кофермент Q • цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III) • цитохром c оксидаза ( комплекс IV) • АТФ — синтаза ( комплекс V) • р. РНК • т. РНК У человека в митохондриях 16565 пар нуклеотидов и содержит 37 генов: • 13 кодируют биосинтез белков, • 22 являются матрицей для т. РНК, • 2 являются матрицей для р. РНК

История развития учения о биологическом окислении I. Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский химик – в 1777 г. впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О 2. Т. к. горение и дыхание сопровождаются потреблением О 2 и выделение СО 2 , он предположил что, в их основе лежит один процесс. Но у дыхания были существенные отличия от горения, идёт: при низкой температуре; без пламени; в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи А. Н. Бах и В. И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления. II. Алексей Николаевич Бах (1857 – 1946). В 1897 г сформулировал «ПЕРЕКИСНУЮ ТЕОРИЮ МЕДЛЕННОГО ОКИСЛЕНИЯ» , согласно которой молекула О 2 сначала активируется в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам – оксидазам. Активированный О 2 при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись. O O îêñèäàçà+ îêñèäàçà + SO 2+ S

III. В. И. Палладин (1859– 1922) – русский ученый ботаник и биохимик – создал теорию «АКТИВАЦИИ ВОДОРОДА» , предположив, что окисление субстратов может происходить в 2 стадии: Анаэробная фаза: особые вещества хромогены ( R ) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются ( RH 2 ). Аэробная фаза : Восстановленные хромогены RH 2 передают Н на О 2. O O R S H H R S RRH 2 OH OHàíàýðîáíàÿ ôàçà H 2 O 1 /2 O 2 O O R R àýðîáíàÿ ôàçà

Отто Генрих Варбург открыл фермент( E ) – цитохромоксидазу, работающую на заключительном этапе БО. Процесс БО представляет не только процессы дегидрирования, но и активирования О 2 железосодержащими E. Кейлин Дейвид (1881 -1963 ) открыл цитохромы. Установил, что они способны передавать H + и e- с окисляемого S на O 2. Шенбайн показал, что БО – каталитический процесс, в котором используется активный кислород. IV. В дальнейшем значительный вклад в исследование БО внесли ряд и других учёных. Вот некоторые из них:

Генрих Отто Виланд установил, что процесс окисления может реализоваться в анаэробных условиях с использованием элементов воды. ÑÍÑ O Í H 2 O ÑÍÑ OH OH Í2 CH Í Ñ O OÍ

Современные представления о биологическом окислении Согласно современной теории БО: 1. окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях; 2. в аэробных организмах существует несколько путей использования О 2 ; 3. реакции БО необходимы для: получения энергии; синтеза новых веществ; разрушения чужеродных веществ; 4. БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты -оксидоредуктазы.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения / отщепления: 1) 1 е-; 2) 2 е — и 2 Н + ; 3) атомов кислорода Субстрат- H 2 + R Продукт + RH 2 Субстрат- H 2 + ½ O 2 Продукт + H 2 OЦит 1 ( Fe 3+ ) + Цит 2 ( Fe 2+ ) Цит 1 ( Fe 2+ ) + Цит 2 ( Fe 3+ ) Основные понятия БО

В ОВР вступают 2 вещества и 2 вещества образуются. Одно вещество окисляется другое восстанавливается: Субстрат- H 2 + R Продукт + RH 2 Окисленная и восстановленная формы одного соединения, образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару редокс-пара Редокс-пары отличаются сродством к е — , мерой сродства служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал: Ео’ (Вольт)Субстрат БО Окислитель

Каждое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения полезной работы, называют свободной ( G ). ∆ G = Ео’ ( SH 2 / S ) – Ео’ ( R / RH 2 ) -0, 42 В НАДН 2 О 2 +0, 82 В е -∆ G =-1, 12= 0, 82 — (-0, 32)

Биологическое окисление (БО) — совокупность окислительно-восстановительных реакций в живых клетках. Особенности реакций БО: • протекают в аэробных и анаэробных условия; • катализируются оксидоредуктазами; • являются многостадийным процессом; • Существует несколько путей их использования: основной — синтез АТФ (90%), а также синтез новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма. Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (вещества, способные вступать в реакции окисления) Субстрат- H

Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О 2 принимают участие: 1. НАД– и НАДФ– зависимые ДГ; 2. ФАД– и ФМН– зависимые ДГ; 3. Цитохромы; 4. Коэнзим Q ; 5. Белки, содержащие негеминовое железо.

-0, 42 В +0, 82 В Н 2 О 2 е — АТФ АТФДыхательная цепь – цепь переноса е — ДГ, Ko. Q, цит, Fe. S- белки

В настоящее время выделено 4 основные пути использования О 2 в организме: 1. Оксидазный путь Функция: 90% О 2 используется для синтеза АТФ; 2. Монооксигеназный путь ( Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата) Функции: синтез новых веществ (стероидные гормоны), обезвреживание ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР; Пути использования О 2 в клетке

3. Диоксигеназный путь ( Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата) Функция: деградация АК; синтез новых веществ; 4. Свободно-радикальный путь Функции: внутриклеточное пищеварение; разрушение бактерий, вирусов, онко- и стареющих клеток; образование БАВ.

Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания Омыляемые липиды Углеводы Белки Глицерин Глюкоза А м и н о к и с л о т ы П и р у в а т А ц е т и л — К о А H S — K o AЖирные кислоты

АДФ + Ф н О 2 н 2 о АТФ 2 е — 2 н + Д ы х а т е л ь н а я ц е п ь2 е — 2 н +ЦТК Ацетил-Ко. А ЩУКПВК

II этап. Образование Ацетил-Ко. АÏèðóâàòäåãèäðîãåíàçà COOH C CH 3 O ÏÊ ÍÀÄ + ÍÀÄÍ2 CO 2 HSKo. A C CH 3 O ÀöåòèëÊîÀ Ïèðóâàòêàðáîêñèëàçà COOH C CH 3 O ÏÊ ÀÒÔÀÄÔ + ÔíCO 2 COOH C CH 2 O ÙÓÊ COOH

ЦТК является процессом окисления Ацетил–Ко. А — универсального продукта катаболизма углеводов, белков и омыляемых липидов; ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны; В ЦТК участвуют 5 витаминов В 1, В 2, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД+, Ко. А и липоата. III этап. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса). Цис-аконитат Изоцитрат Сукцинил — Ко. А Сукцинат. Цитрат Оксалоацетат Малат Фумарат Н 2 О Е-ФАДН 2 Е-ФАДНАДН 2 НАД +Ацетил-Ко. А HS-Ko. A Н 2 О НАД + НАДН 2 СО 2 НАД + НАДН 2 НS-Ko. A CO 2 Н 2 О ГТФ HS-Ko. A H 3 PO 4 + ГДФ 12 АТФ МДГ СДГ ИДГ 1 2 3 4 5 678 -кетоглутарат

1. Цитратсинтазная реакция Активаторы: ЩУК, НАД+, АМФ, АДФ; Ингибиторы: АТФ, НАДН 2 , Сукцинил-Ко. А, цитрат. OCCOOH H 2 CCOOH H 3 CCSKo. AHOC H 2 CCOOH HSKo. A O ++ ЩУКöèòðàòàöåòèë-SÊîÀHS-ÊîÀ öèòðàòñèíòàçà öèòðàò: àöåòèëÊîÀ-ëèàçà Синтез жирных кислот, ТГ, ФЛ

2. Аконитазная реакция H O CH 2 C C O O H öèòðàò CH 2 C C O O H H CH 2 C C O O H C H C O O HH O H 2 O изоöèòðàòöèñ-àêîíèòàò àêîíèòàçà öèòðàò: гидро-ëèàçà 3. Изоцитратдегидрогиназная реакция H CH 2 C C O O H C H C O O HH O и з о ö è ò ð à ò C H 2 H 2 C C O O HO К Г и з о ц и т р а т Д Г и з о ц и т р а т : Н А Д + о к с и д о р е д у к т а з а ( д е к а р б о к с и л и р у ю щ а я )Í À Ä + Í À Ä Í 2 Ñ Î 2 M n 2+ ( M g 2+ ) Самая медленная реакция ЦТК Синтез Глу

4. α — Кетоглутаратдегидрогиназная реакция Активаторы: ионы Са; Ингибиторы: АТФ, сукцинил-Ко. А, НАД H 2 ; α-КГДГ комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД+, ФАД. CH 2 H 2 CCOOHO КГ -кетоглутарат ДГ -КГ: НАД + оксидоредуктаза (декарбоксилирующая) ÍÀÄ + ÍÀÄÍ2ÑÎ2ÍSÊîÀ CH 2 H 2 CCOOH CSKo. AO Сукцинил-Ко. А 1, ÐÐ, 2, ïàíòîòåíîâàÿ ê-òà, ëèïîåâàÿ ê-òà Синтез гема

5. Сукцинил-Ко. А-синтетазная реакция Это — единственная стадия ЦТК, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; Это реакция субстратного фосфорилирования. С у к ц и н и л — К о А — с и н т е т а з а ñ ó ê ö è í à ò : Н К о А — л и г а з а ( Г Т Ф — Г Д Ф + Р н )CH 2 H 2 CCOOH CSKo. AOС у к ц и н и л — К о А CH 2 H 2 CCOOH Ð í + Ã Ä Ô Ã Ò Ô H S Ê î À ñ ó ê ö è í à òM g 2+ Субстратное фосфорилирование

6. Сукцинатдегидрогиназная реакция СДГ является флавопротеином, состоящим из 2 субъединиц: Fe 2 S 2 и Fe 4 S 4 , одна из которых связана с ФАД; Ингибитор: ЩУК и Сукцинил – Ко. А. Сукцинат ДГ (СДГ) ñóêöèíàò: ФАД-оксидоредуктаза H 2 CCOOH ÔÀÄФАДН 2 ñóêöèíàò CH HCCOOH HOOC ôóìàðàò

7. Фумаразная реакция Фумараза специфична к L-изомеру малата; Она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации; ф у м а р а з а ì à ë à ò : г и д р о — л и а з а. H 2 C H CCOOHН 2 О L — ì à ë à ò CH HCCOOH HOOCô ó ì à ð à ò HO

8. Малатдегидрогиназная реакция Ингибитор: НАДН 2 Активатор: НАД + HO H CCOOH H 2 CCOOH OCCOOH H 2 CCOOH ÍÀÄ + ÍÀÄÍ2 L-ìàëàòÙÓÊ ìàëàò ÄÃ ìàëàò: ÍÀÄ + îêèäîðåäóêòàçà Синтез Асп

Энергетический баланс одного оборота ЦТК • В 4 ОВР ЦТК образуются 3 НАДН 2 и 1 ФАДН 2 , которые направляются далее в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования. • В процессе окислительного фосфорилирования из 1 НАДН 2 образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН 2 – 2 АТФ. • Из ГТФ, образующейся в ЦТК, синтезируется 1 АТФ: ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ • Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН 2 , 1 ФАДН 2 и 1 ГТФ получается 12 АТФ.

Регуляция ЦТК 1. Регуляторные (ключевые, лимитирующие) ферменты: 1. Цитратсинтаза 2. изоцитрат ДГ 3. α-КГ ДГ 4. СДГ 2. Ингибирует – НАДН 2 и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и дыхательной цепи 3. Активируют – НАД + и АДФ 4. Первая — пусковая реакция ЦТК зависит от концентрации ЩУК, Ацетил-Ко. А

5. Стимулирует ЦТК гормон инсулин, а ингибирует – глюкагон 6. O 2 активирует ЦТК , переводя восстановленные формы НAДH 2 , ФAДH 2 в окисленные 7. Аммиак связывает α–КГ и цикл блокируется

Биологическое значение ЦТК 1. образование водородных эквивалентов , которые в цепи ОФ обеспечивают синтез АТФ; 2. выполняет ведущую роль в: глюконеогенезе; переаминировании и дезаминировании АК; синтезе жирный кислот и липогенезе; синтезе гема. 3. интегрирует все виды обмена веществ

IV этап. Окислительное фосфорилирование В 1966 г. английский ученый Питер Денис Митчелл сформулировал хемиосмотическую гипотезу объясняющую принцип окислительного фосфорилирования. В 1979 г. — Нобелевская премия. История окислительного фосфорилирования

• цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друга протонов и электронов. • Белковые носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что переносят протоны через мембрану. • Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов – мембранный потенциал. • Под ее действием протоны с внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное пространство. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с электрическим током в батарее, и выполняет всю работу. Положения хемиосмотической теории

Окислительное фосфорилирование Q ½ О 2 * Н 2 ОНАДН 2 НАД +n Н + е — Q Н 2 n Н 2 О n ОН -n Н + АТФ синта заn Н +МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО Фн + АДФ АТФCКомплекс I Комплекс III Комплекс IV е — -0, 3 2 В-0, 3 0 В +0, 04 В +0, 25 В +0, 55 В +0, 82 ВФМН 5 Fe. S B 562 B 566 C 1 Fe. S a a 3 Cu 2+ МАТРИКС е -+0, 2 3 ВПротекает на внутренней мембране митохондрий Окисления Электро Химический потенциал Фосфорилирования Комплекс II

ФМН 5 F е S ФАД Fe. S В 562 В 566 С 1 Fe. S а а 3 С u 2+ АТФ синтетаза. Q C НАД + НАДН 2 Изоцитрат α -КГ малат α -КГ сукцинил. Ко. А ЩУК сукцинат фумарат ½ О 2 * Н 2 О АТФФн + АДФКомплекс ΙΙКомплекс Ι комплекс ΙΙΙ комплекс Ι V Межмембранное пространтво матриксокисление ē Н +

ФМНFe. SНАДН 2 НАД + S SH 2 Глюкоза Углеводы 2 Н +, 2 е -е-2 Н + Fe. S 2 Н +, 2 е -е- 2 Н + Н 2 О ОН — О 2 2 О 2 — Н +Фн + АДФ АТФ Н 2 О

Н + Н +ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ Межмембранное пространство Химический потенциал 60 м. В матрикс + + Электрический потенциал 160 м. В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ 220 м. В

Н+ Н+ Н+ē ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ АДФ+ФН АТФН +Межмембранное пространство матрикс

Модель F 1 ии F 0 компонентов АТФ-синтазы – молекулярной машины a, b, альфа, бета и дельта субъединицы образуют статор машины с, гамма и ипсилон субъединицы образуют ротор

Н+ Н+ Н+ ē Сопряжение и разобщение Окислительного фосфорилирования АДФ+ФН АТФ сопряжение Н+разобщение. П Р О Т О Н О Ф О Р

Разобщители дыхания и фосфорилирования R- СООН R- СОО — Н +П Р О Т О Н О Ф О Р Ы И О Н О Ф О Р ЫН +

2, 4 -Динитрофенол • 2, 4 -динитрофенол является классическим разобщителем окислительного фосфорилирования. При действии на митохондрии стимулирует их дыхание, но ингибирует сопряженное с ним фосфорилирование, т. е. синтез АТФ из АДФ и фосфата.

Дыхательный контроль — Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30— 50 г Молекула АТФ «живёт» меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40— 60 кг АТФ и столько же распадается.

Спасибо за внимание!