1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н.

Скачать презентацию 1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н. Скачать презентацию 1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н.

bioenergetika_summary.ppt

  • Размер: 17.2 Мб
  • Автор:
  • Количество слайдов: 87

Описание презентации 1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н. по слайдам

1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н. , профессор,  D. h. c.1 БИОЭНЕРГЕТИКА Л. И. Нефёдов д. м. н. , профессор, D. h. c. , профессор кафедры биохимии, УО “ Гр. ГУ им. Янки Купалы ” www. nil. grsu. by

2∆ G o первой реакции : +14 к. Дж/моль указывает на невозможность ее самопроизвольного2∆ G o первой реакции : +14 к. Дж/моль указывает на невозможность ее самопроизвольного протекания ( эндергоническая), второй — 31 к. Дж/моль (экзергоническая) : ∑ ∆ G o -17. Для обеспечения протекания в благоприятном с позиции термодинамики направлении реакций в клетке необходимы молекулы, реакции гидролиза которых характеризуется (-) G – это макроэрги типа АТФ.

3

4 Биологическое окисление Перенос электронов  от одной молекулы к другой - окислительно-восстановительные процессы4 Биологическое окисление Перенос электронов от одной молекулы к другой — окислительно-восстановительные процессы (донор электронов — отдающий их, является восстановителем их акцептора — принимающего

5 Способы передачи  • - прямой перенос : • - в составе состоящих5 Способы передачи • — прямой перенос : • — в составе состоящих из протона и электрона атомов водорода : • в составе состоящего из двух электронов и одного протона гидрид — иона ( : H — ); • от окисляемого вещества на кислород, связывающийся ковалентно с окисляемым веществом. Чаще всего переносятся два электрона — рассматриваются как «единица» биологического окисления.

6 В качестве эквивалента для оплаты энергетических затрат в :  1. - мембране6 В качестве эквивалента для оплаты энергетических затрат в : 1. — мембране — используется ΔμН + или ΔμNa + , 2. — цитоплазме – АТФ, креатинфосфат и другие макроэрги. Источник АТФ – фосфорилирование : 1. субстратное ( гликолиз, реакция сукцинил-Ко. А — > сукцинат в ЦТК ) ; 2. окислительное ( генерация ΔμН + и ΔμNa + , используемых для окислительного фосфорилирования при транспорте электронов в дыхательной цепи энергосопрягающих мембран митохондрий ).

7 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может:  1. -7 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может: 1. — обратимо превращаться в энергию АТФ в Н + -АТФ-синтазной реакции в мембранах, генерирующих протонный потенциал ΔμН + ; 2. — Na + -АТФ-синтазой ( Na + -АТФазой ) в “ натриевых ” мембранах, поддерживающих потенциал ΔμNa +. Энергия субстратов дыхания утилизируется ферментами дыхательной редокс-цепи. Генерируемый потенциал используется для совершения полезной работы — образования АТФ.

8 Катализирующие окислительно-восстановительные реакции биологического окисления ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ - двухкомпонентные ферменты,  коферментами которых м.8 Катализирующие окислительно-восстановительные реакции биологического окисления ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ — двухкомпонентные ферменты, коферментами которых м. б. моно- и динуклеотиды ( производные витаминов РР (В 5 ) и В 2 ), производные протопорфиринов, хиноны, ионы металлов — промежуточные акцепторы электронов. Оксидоредуктаза с восстановленным коферментом не участвует в катализе до тех пор, пока электроны её кофермента не будут переданы на конечный акцептор. Отношение восстановленный кофермент/окисленный кофермент – важнейший регуляторный фактор окислительно-восстановительных реакций.

9 По типу конечного акцептора все окислительно-восстановительные реакции разделяют на аэробные (конечный акцептор О9 По типу конечного акцептора все окислительно-восстановительные реакции разделяют на аэробные (конечный акцептор О 2 ) и анаэробные (конечный акцептор — другие соединения ), а по способу передачи электронов, которым пользуются оксидоредуктазы, различают дегидрогеназы, оксидазы, оксигеназы и гидропероксидазы.

10 Самая многочисленная группа оксидоредуктаз - никотинамид ( пиридин )-зависимые и флавин-зависимые дегидрогеназы. 10 Самая многочисленная группа оксидоредуктаз — никотинамид ( пиридин )-зависимые и флавин-зависимые дегидрогеназы. • Коферменты никотинамидзависимых дегидрогеназ — динуклеотиды. • Различают два типа коферментов данных дегидрогеназ: никотинамидадениндинуклеотид (НАД + ) и никотинамидадениндинуклеотидфосф ат (НАДФ + ).

11

12 НАД + и НАДФ - дегидрогеназы катализируют перенос гидрид-иона ( акцептором в реакции12 НАД + и НАДФ — дегидрогеназы катализируют перенос гидрид-иона ( акцептором в реакции выступает пиридиновое кольцо никотинамида ). • Различия в структуре НАД + и НАДФ + не отражаются на механизме их участия в реакциях переноса электронов, но придают им разные функции в клетке : — НАДН∙Н + поставляет электроны в реакции, обеспечивающие образование макроэргов, а — НАДФН∙Н + — для анаболических процессов ( восстановительные синтезы ) и реакций обезвреживания ксенобиотиков и активных форм О 2.

13 • Активная часть молекулы ФАД и ФМН -  изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина. 13 • Активная часть молекулы ФАД и ФМН — изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина. • В отличие от НАД + и НАДФ — дегидрогеназ, которые переносят одновременно два электрона, коферменты флавинзависимых дегидрогеназ обладают важным качеством — могут переносить и по одному, и по два электрона —

14 Цитохромы - группа электрон-переносящих белков,  содержащих в качестве простетической группы гем –14 Цитохромы — группа электрон-переносящих белков, содержащих в качестве простетической группы гем – в отличие от дегидрогеназ переносят только по одному электрону. Активный элемент цитохромов — изменяющий свою валентность Fe.

15 - группа белков,  участников окислительно-восстановительных реакций.  Fe  в этих комплексах15 — группа белков, участников окислительно-восстановительных реакций. Fe в этих комплексах – негемовое ( негемовые железопротеины ) и формирует Fe. S -центры, в которых атом Fe связывается координационными связями с S цистеиновых остатков молекулы белка — играют важную роль в соединении в цепочках переноса электронов двуэлектронных переносчиков с одноэлектронными. Железосерные комплексы

16 Все перечисленные выше белки и ферменты используют 3 из 4 -х механизмов переноса16 Все перечисленные выше белки и ферменты используют 3 из 4 -х механизмов переноса электронов: 1. перенос электронов ( цитохромы и Fe. S -белки ), 2. перенос электронов в составе : 2. 1. гидрид-ионов ( НАД-зависимые дегидрогеназы ) 2. 2. атомов водорода ( ФАД-зависимые дегидрогеназы ).

17 Транспортирующая H+ -АТФ-синтаза  использует для синтеза АТФ энергию градиента потенциала.  У17 Транспортирующая H+ -АТФ-синтаза использует для синтеза АТФ энергию градиента потенциала. У эукариот окислительное фосфорилирование происходит только в аэробных условиях. Второй способ синтеза АТФ осуществляется в анаэробных условиях и основан на переносе фосфатных остатков на АДФ через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп — образование АТФ из креатинфосфата.

18 Катаболизм белков, жиров и углеводов на трёх стадиях клеточного дыхания 18 Катаболизм белков, жиров и углеводов на трёх стадиях клеточного дыхания

19 ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА 19 ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

20

21 ГЛИКОЛИЗ Т. о.  при расщеплении 1 М глюкозы образуется 2 М пирувата,21 ГЛИКОЛИЗ Т. о. при расщеплении 1 М глюкозы образуется 2 М пирувата, при окислении которых до 2 М ацетил-Ко. А и последующих 2 оборотов ЦТК — 30 молекул АТФ — окисление 1 М пирувата до СО 2 и Н 2 О =15 М АТФ. К этому количеству добавляется 2 М АТФ, образующиеся при анаэробном гликолизе, и 6 М АТФ, синтезирующихся при окислении 2 М цитоплазматического НАДН, образующихся при окислении 2 М глицеральдегид-3 -фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза, — при расщеплении в тканях 1 молекулы глюкозы по уравнению С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 —> 6 СО 2 + 6 Н 2 О синтезируется 38 молекул АТФ

22 ЦТК 22 ЦТК

23 ЦТК 23 ЦТК

24 I комплекс цепи тканевого дыхания – НАДН ∙ Н + :  Ko.24 I комплекс цепи тканевого дыхания – НАДН ∙ Н + : Ko. Q- оксидоредуктаза — более 30 белковых субъединиц с общей М. м. 850 к. Да формируют пронизывающую мембрану структуру, напоминающую букву « L » . Основная функция комплекса – перенос электронов от НАДН∙Н + на Ko. Q. В переносе участвуют ФМН и Fe. S- комплексы (флавопротеин I). При работе комплекса используется свойство ФМН переносить по одному электрону. Основной путь переноса электронов: Одновременно с переносом электронов комплекс транспортирует протоны из матрикса в межмембранное пространство (ММП). На каждые 2 электрона переносятся 4 протона.

25

26 II комплекс цепи тканевого дыхания – сукцинат : убихиноноксидоредуктаза ( сукцинатедгидрогеназа ) 26 II комплекс цепи тканевого дыхания – сукцинат : убихиноноксидоредуктаза ( сукцинатедгидрогеназа ) — состоит из 4 -х субъединиц с общей молекулярной массой 97 к. Да. В состав комплекса входят железосерные белки с тремя типами Fe. S -центров ( флавопротеин II): Первичным акцептором водорода является ФАД, ковалентно связанный с комплексом. Путь, по которому проходят электроны в комплексе:

27 Комплекс II  называют флавопротеином II  (ФП 2 ) т. к. 27 Комплекс II называют флавопротеином II (ФП 2 ) т. к. на этом участке дыхательной цепи в общий фонд Ko. Q передают свои электроны другие флавопротеины: ФП 3 — ацил-Ко. А-дегидрогеназа ( окисляющая активную жирную кислоту ) и ФП 4 – глицерофосфат- дегидрогеназа. В состав перечисленных ФП входят ковалентно связанный ФАД и Fe. S — белки. ФП 1 — это комплекс I , также передающий электроны Ko. Q , который становится, т. о. , своеобразным коллектором всех электронов, поступающих в митохондрию из разных субстратов, и передает их комплексу III.

28

292 компонента внутренней мембраны не связаны с комплексами структурно,  но обеспечивают функциональную связь292 компонента внутренней мембраны не связаны с комплексами структурно, но обеспечивают функциональную связь между ними. Это — коэнзим (Ко Q 10 или убихинон) и цитохром с. Убихинон — хинон с длинной полиизопреновой цепью, состоящей из 10 изопреновых единиц ( Q 10 ! ), обеспечивающей его растворимость в липидах. Свободное перемещение по мембране и самая высокая молярная концентрация среди других переносчиков делают Ко Q 10 функционально значимым в механизмах транспорта электронов в митохондриях. Подобно ФАД и ФМН, Ко Q 10 может принимать 1 ( семихинон ) и 2 ( убихинол ) электрона, что позволяет ему обеспечивать связь между переносчиками двух и одного электронов.

30 Ко Q 10 способен находиться в восстановленном или окисленном состоянии, в дыхательной цепи30 Ко Q 10 способен находиться в восстановленном или окисленном состоянии, в дыхательной цепи — коллектор восстановительных эквивалентов, поставляемых в неё через флавиновые дегидрогеназы.

31 Цитохром с  по величине редокс-потенциала располагается между III и IV комплексами внутренней31 Цитохром с по величине редокс-потенциала располагается между III и IV комплексами внутренней мембраны и обеспечивает связь между ними. Это единственный из водорастворимых участников переноса электронов. Т. о. , по величине редокс — потенциала удается «выстроить» комплексы митохондрий в цепь переноса электронов от НАДН∙Н + до О 2 , с которым взаимодействует IV комплекс. Эта цепь ферментов получила название цепи ферментов митохондриального ( тканевого ) дыхания

32 III комплекс цепи тканевого дыхания – убихинол: цитохром с оксидоредуктаза (цитохром с- редуктаза)32 III комплекс цепи тканевого дыхания – убихинол: цитохром с оксидоредуктаза (цитохром с- редуктаза) — в его состав входят два цитохрома b ( b. L и b. H ) , цитохром с1, и Fe. S- белок. Суммарная реакция процессов, протекающих при участии комплекса III: — комплекс забирает электроны у Ko. QH 2 и передает их цитохрому с. Т. к. цитохромы неспособны связывать протоны, 4 протона переносятся комплексом в межмембранное пространство.

33 ЦИТОХРОМЫ - выстроенные в дыхательную цепь в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала гемопротеины ,33 ЦИТОХРОМЫ — выстроенные в дыхательную цепь в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала гемопротеины , в которых простетическая геминовая группа близка по структуре (цитохром b ) гему Н b. Ионы Fe +2(+3) в геме обратимо изменяют валентность получая или отдавая электроны. Цитохромы b, с1, с, а и а 3 играют наиболее важную роль процессах тканевого дыхания. а 3 — терминальный участок дыхательной цепи – цитохромоксидаза , окисляющая цитохром с и образование Н 2 О путём двухэлектронного восстановления одного атома кислорода — каждая молекула O 2 одновременно взаимодействует с двумя электрон-транспортными цепями и при транспорте каждой пары электронов в матриксе митохондрий накапливается до 6 протонов.

34 IV комплекс дыхательной цепи - цитохром с- оксидаза  Получив электрон,  цитохром34 IV комплекс дыхательной цепи — цитохром с- оксидаза Получив электрон, цитохром с путем простой диффузии переносит его на IV комплекс, названный оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с О 2. У млекопитающих — это крупный (~200 к. Да) трансмембранный белок из 6 – 13 субъединиц, некоторые из них кодируются митохондриальной ДНК. В его состав входят два хромопротеина — цитохром а и цитохром а 3, два атома меди — С u. A и С u. B , связанные с белковыми частями цитохромов таким образом, что пространственно сближены с Fe порфиринов, с которыми они способны обмениваться электронами.

35 Цитохром с- оксидаза катализирует одноэлектронное окисление четырех восстановленных молекул цитохрома с,  одновременно35 Цитохром с- оксидаза катализирует одноэлектронное окисление четырех восстановленных молекул цитохрома с, одновременно осуществляя полное ( четырехэлектронное ) восстановление молекулы О 2. Протоны для образования молекул Н 2 О поступают из матрикса. Цитохром с, переносящий по 1 электрону, вначале передает его С u. A , а затем электрон переходит на цитохром а. Кислород взаимодействует с Fe цитохрома а 3 после восстановления последнего. Комплекс IV переносит также в межмембранное пространство 2 протона на каждые 2 переносимых электрона.

36 Т. о. , в результате последовательного переноса электронов всеми комплексами дыхательной цепи митохондрий36 Т. о. , в результате последовательного переноса электронов всеми комплексами дыхательной цепи митохондрий на каждые 2 перенесенных электрона образуется 1 молекула Н 2 О, а высвобождаемая в реакциях переноса электронов энергия используется для переноса протонов в межмембранное пространство.

37 Комплексы дыхательной цепи митохондрий,  расположенные по величине редокс-потенциала Общая величина энергии реакции37 Комплексы дыхательной цепи митохондрий, расположенные по величине редокс-потенциала Общая величина энергии реакции ( > 200 к. Дж/моль) разбивается на небольшие «пакеты» , величина которых определяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов промежуточных продуктов и обеспечивает дыхательной цепи высокий выход энергии — ~ 60%.

38 Образование молекулы Н 2 О сопровождается переносом 10 или 6 протонов в ММП38 Образование молекулы Н 2 О сопровождается переносом 10 или 6 протонов в ММП Место включения Н + в дыхательную цепь зависит от количества протонов, переносимых в межмембранное пространство. Примечательна судьба водородов НАД + -зависимых дегидрогеназ, катализирующих окислительные реакции вне митохондрий. Так, большинство НАД + -зависимых дегидрогеназ, поставляющих водород I комплексу дыхательной цели, находятся в матриксе митохондрий — они катализируют реакции окисления в ЦТК ( 3 дегидрогеназы ), окислительное декарбоксилирование ПК, окислительное дезаминирование Глу, окисление гидроксиацил-Ко. А и др.

39 Комплексы дыхательной цепи содержат различные простетические группы - связанные с белками окислительно-восстановительных коферменты39 Комплексы дыхательной цепи содержат различные простетические группы — связанные с белками окислительно-восстановительных коферменты : 1. флавин (ФМН или ФАД), в комплексах I и II ; 2. железо-серные центры (в I, II и III) — содержат 2 — 6 ионов Fe , образующих комплексы с неорганическим сульфидом и SH-группами остатков Цис) ; 3. группы гема (в II, III и IV).

40

41

42 Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями : 1. при окислении НАДН +42 Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями : 1. при окислении НАДН + комплекс I переносит их через ФМН и Fe/S-центры на Ко Q ; 2. при окислении сукцината, ацил-Ко. А и др. субстратов они переносятся на Ко Q комплексом II или митохондриальной сукцинатдегидрогеназой через связанный с ней ФАДН 2 или флавопротеин — окисленный Ко Q восстанавливается , — 3. и переносит их в комплекс III , поставляющий их через 2 гема b 1 Fe/S-центр и гем с1 на гемсодержащий белок цитохром с , — 4. переносящий их к комплексу IV — цитохром с-оксидазе , содержащей 2 Cu 2+ — c одержащих центра ( A и B ) и гемы а и а 3 , от которых электроны, — 5. поступают к О 2 – при его восстановлении образуется основной анион О 2 — , связывающий 2 протона и переходящий в Н 2 О.

43 Окисление НАДН комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны и в матриксе, 43 Окисление НАДН комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны и в матриксе, где и реализуется ЦТК и β-окисление жирных кислот — наиболее важные источники НАДН. Перенос протонов комплексами I, III и IV реализуется векторно — из матрикса в межмембранное пространство. Только АТФ-синтаза митохондрий реализует обратное движение протонов в матрикс.

44 ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ - превращения энергии в живых клетках выдвинута П. Митчеллом в 196044 ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ — превращения энергии в живых клетках выдвинута П. Митчеллом в 1960 г. Нобелевская премия, 1978 ) для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов с образованием АТФ в дыхательной цепи и развита Дж. Уокером ( Нобелевская премия, 1997 ), описавшим молекулярные механизмы действия основополагающего фермента биоэнергетики — протонной АТФ-синтазы. Движение электронов по дыхательной цепи — источник энергии для транслокации протонов через митохондриальную мембрану , а возникающая в результате этого разность электрохимических потенциалов (ΔμH+) приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую образование АТФ из АДФ и Рi: АДФ + Рi = АТФ

45 ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ - механизм регуляции образования и потребления АТФ,  основанный на сопряжении45 ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ — механизм регуляции образования и потребления АТФ, основанный на сопряжении процессов её ресинтеза с общими коферментами и другими факторами. В отсутствие АДФ АТФ-синтаза не в состоянии использовать протонный градиент на внутренней митохондриальной мембране, что ингибирует электронный перенос в дыхательной цепи и НАДН не может быть вновь окислен в НАД +. Возникающее высокое соотношение НАДН/НАД + ингибирует ЦТК и замедляет потребление субстратов, и, наоборот, активация потребления АТФ стимулирует усвоение пищи и дыхательную цепь. Если создание протонного градиента подавлено, процессы окисления субстратов и переноса электронов протекают быстрее обычного, а вместо ресинтеза АТФ выделяется тепло.

46 РАЗОБЩАЮЩИЕ АГЕНТЫ - функционально разделяют окисление и фосфорилирование,  без участия АТФ-синтазы, 46 РАЗОБЩАЮЩИЕ АГЕНТЫ — функционально разделяют окисление и фосфорилирование, без участия АТФ-синтазы, содействуя переносу протонов из межмембранного пространства в матрикс. Разобщение возникает в результате повреждения внутренней мембраны, действия 2, 4 -динитрофенола — переносчика протонов через мембрану или природного соединения термогенина, разобщающего протонный канал в митохондриях бурых жировых клеток ( источник теплообразования бурый жир обнаружен у новорожденных и животных, впадающих в зимнюю спячку, а при охлаждении организма норадреналин активирует гормонзависимую липазу. Благодаря интенсивному липолизу образуется большое количество свободных жирных кислот, которые распадаются в при β-окислении и в дыхательной цепи. Т. к. жирные кислоты при этом открывают протонный канал термогенина, их распад не зависит от наличия АДФ, т. е. протекает с максимальной скоростью и генерирует энергию в форме тепла )

47

48 Организация и функционирование дыхательной цепи Компоненты дыхательной цепи митохондрий в порядке убывания окислительно-восстановительного48 Организация и функционирование дыхательной цепи Компоненты дыхательной цепи митохондрий в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала

49

50 ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ Известно,  что при недостатке АДФ скорость аэробного дыхания тормозится 50 ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ Известно, что при недостатке АДФ скорость аэробного дыхания тормозится ( дыхательный контроль ). Таким способом регулируется скорость окислительного фосфорилирования. Д. Е. Аткинсон (1968) предложил характеризовать энергетическое состояние клетки количественно, вычисляя «заполнение» системы АТФ-АДФ-АМФ высокоэнергетическими фосфатными связями. Если все содержащиеся в клетке аденозинфосфаты находятся в форме АТФ, то система энергетически заполнена до предела, т. ее энергетический заряд равен 1, 0. Если аденозинфосфаты находятся в форме АМФ, то система не содержит высокоэнергетических связей, она энерге тически «пуста» , ее заряд равен 0. Энергетический заряд системы ‘АТФ-АДФ-АМФ вычисляется по уравнению :

51 От величины энергетического заряда зависят скорости реакций ЦТК и скорости других реакций, 51 От величины энергетического заряда зависят скорости реакций ЦТК и скорости других реакций, связан ных с образованием или потреблением энергии. Например, у дрожжей уменьшение отношения АТФ/АМФ вызывает активацию ЦТК за счет активирования цитрат-синтазы и изоцитратдегидрогеназы. В тканях животных важную регуляторную роль выполняет отношение АТФ/АДФ.

52 Система для исследования дыхания митохондрий in vitro - изменения количества О 2 52 Система для исследования дыхания митохондрий in vitro — изменения количества О 2 в водном растворе — состоит из ячейки с платиновым электродом, связанным с полярографом : в добавленную взвесь митохондрий вносят субстраты или регуляторы системы переноса электронов, количественно оценивая скорость дыхания и возможность синтеза АТФ. По Д. Чансу существует 5 состояний митохондрий, при которых скорость их дыхания ограничивается определенными факторами состояния дыхательного контроля :

53 В покоящейся клетке  митохондрии находятся в состоянии 4,  при котором скорость53 В покоящейся клетке митохондрии находятся в состоянии 4, при котором скорость дыхания определяется количеством АДФ. Во время работы митохондрии могут пребывать в состояниях 3 ( исчерпываются возможности дыхательной цепи ) или 5 (недостаток О 2 ). C корость потребления О 2 митохондриями контролируется концентрацией АДФ. Т. о. окисление и фосфорилирование – сопряженные процессы.

54 Реакции дыхательной цепи сопряжены с реакциями аэробного фосфорилирования ,  которое in vitro54 Реакции дыхательной цепи сопряжены с реакциями аэробного фосфорилирования , которое in vitro может быть разобщено введением 2, 4 -ДНФ и сходных веществ, in vivo подобную роль выполняют тириодные гормоны.

55 ИНГИБИТОРЫ ДЫХАНИЯ И ИСКУССТВЕННЫЕ АКЦЕПТОРЫ ЭЛЕКТРОНОВ  Связываясь с переносчиком,  ингибиторы переноса55 ИНГИБИТОРЫ ДЫХАНИЯ И ИСКУССТВЕННЫЕ АКЦЕПТОРЫ ЭЛЕКТРОНОВ Связываясь с переносчиком, ингибиторы переноса электронов приостанавливают перенос, и все участники дыхательной цепи, расположенные выше места действия ингибитора, переходят в восстановленное состояние, а те, что ниже – в окисленное. Практически все ингибиторы комплексов — яды.

56 Ротенон - растительный яд,  применяемый индейцами при ловле рыбы и используемый как56 Ротенон — растительный яд, применяемый индейцами при ловле рыбы и используемый как инсектицида ; Амитал — производное барбитуровой кислоты, антибиотик антимицин А, цианиды. (ротенон н амитал тормозят перенос водорода от ФМН к убихинону; антимицин А — транспорт электронов от цитохрома b к цитохрому с1 ( III комплекс); CN -, CO , H 2 S , HN 3 — ингибиторы цитохромоксидазы, а карбоксин и теноилтрифторацетон — ингибиторы II комплекса). Ингибитор синтеза АТФ — антибиотик олигомицин : он не влияет на окисление, но тормозит фосфорилирование и в его присутствии добавление АДФ не оказывает стимулирующего влияния на дыхание.

57 При добавлении разобщителей окислительного фосфорилирования  между последним и окислением нарушается сопряжение, 57 При добавлении разобщителей окислительного фосфорилирования между последним и окислением нарушается сопряжение, снимается дыхательный контроль со стороны АДФ и окисление резко усиливается. Разобщители имеют гидрофобный характер, хорошо растворимы в липидах и способны связывать протоны. Используя искусственные акцепторы электронов , удается запустить перенос электронов выше действия ингибитора, а т. к. большинство таких акцепторов — окрашенные соединения, по изменению их цвета количественно оценивают скорость работы комплексов дыхательной цепи.

58 ФАКТОРЫ И МЕСТО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ 58 ФАКТОРЫ И МЕСТО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

59 Места действия искусственных акцепторов электронов и ингибиторов на цепь переносчиков электронов внутренне мембраны59 Места действия искусственных акцепторов электронов и ингибиторов на цепь переносчиков электронов внутренне мембраны митохондрий

60 - V  комплекс внутренней мембраны  обеспечивает возвращение протонов в матрикс и60 — V комплекс внутренней мембраны обеспечивает возвращение протонов в матрикс и энергия ∆р. Н используется для синтеза АТФ. Нарушение целостности мембраны, затрудняющее создание градиента р. Н, препятствует и синтезу АТФ, а V комплекс, не поддерживаемый ∆р. Н, начинает выполнять функцию протонного насоса, перекачивающего протоны в ММП, используя энергию гидролиза АТФ и стремясь создать ∆р. Н, который снижается из-за нарушения целостности мембраны.

61

62 Каждая из трех β-субъединиц может находиться в одном из трех конформационных состояний, различающихся62 Каждая из трех β-субъединиц может находиться в одном из трех конформационных состояний, различающихся сродством к АТФ, АДФ и Фн: 1. L — происходит связывание АДФ и Фн с активным центром; 2. Т — образуется АТФ; 3. О — ослабление связи с АТФ и ее высвобождение. Основная движущая сила смены конформации каталитических субъединиц — перемещение по α-субъединице фрагмента Fo протонов из ММП в матрикс.

63 У человека и других млекопитающих существует специальная бурая жировая ткань , цвет которой63 У человека и других млекопитающих существует специальная бурая жировая ткань , цвет которой определяется цитохромами митохондрий адипоцитов. Особенность дыхания таких митохондрий, в структуре внутренней мембраны которых находится белок термогенин , выполняющий функцию протонного канала и снижающий генерируемый митохондриями градиент электрохимического потенциала , — несопряженное дыхание и вся продуцируемая ими энергия выделяется в виде теплоты.

64 Этот процесс регулируется жирными кислотами,  а бурая жировая ткань - незаменимый источник64 Этот процесс регулируется жирными кислотами, а бурая жировая ткань — незаменимый источник теплоты у зимнеспящих животных и у новорожденных детей с недостаточно совершенной теплопродукцией. Любое нарушение целостности мембраны также приводит к разобщению окислительного фосфорилирования. Окисление без фосфорилирования протекает также под воздействием разобщителей, некоторых ионофоров — веществ, специфически связывающих и облегчающих транспорт катионов через мембраны. Довольно значительная часть энергии градиента электрохимического потенциала расходуется на энергозависимый ионный транспорт в митохондриях.

65 РЕГУЛЯТОРНОЕ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕ И СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ В организме среднего взрослого человека в сутки генерируется65 РЕГУЛЯТОРНОЕ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕ И СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ В организме среднего взрослого человека в сутки генерируется и высвобождается 8000 к. Дж энергии. За это время не изменяются существенно ни масса тела, ни его структура и состав. Поэтому вся эта энергия, за исключением количества, которое потребовалось для выполнения физической работы, выделяется в виде тепла и необратимо рассеивается в окружающей среде, обеспечивая организм теплом, необходимым для поддержания температуры тела 37°С. При помещении теплокровных животных усиливается теплообразование в мышцах, которое включает в себя несколько механизмов : Сократительный термогенез — актомиозин гидролизует АТФ, скелетные мышцы сокращаются — начинается мышечная дрожь : скелетные мышцы наряду с сократительной функцией служат «отопительной системой» .

66 ЭНЕРГЕТИКА МЫШЦ И ДРУГИХ СОКРАТИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР В 1939 г.  В. Энгельгардт и66 ЭНЕРГЕТИКА МЫШЦ И ДРУГИХ СОКРАТИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР В 1939 г. В. Энгельгардт и М. Любимова обнаружили, что сократительный белок мышц – миозин — обладает АТФ-азной активностью : при гидролизе АТФ за счет освобождающейся энергии происходит его сокращение ( изменение конформации ) — мышца совершает работу. Т. о. , сократительный белок мышц сам извлекает себе энергию для работы из молекул АТФ. Позднее было показано, что повышенная АТФ-азная активность обнаруживается и в ряде других случаев, когда в живом организме осуществляется движение ( при движении листьев стыдливой мимозы ).

67 Хотя непосредственным источником энергии работающей мышцы служит АТФ,  ее содержание в мышце67 Хотя непосредственным источником энергии работающей мышцы служит АТФ, ее содержание в мышце невелико. Запасными макроэргическими соединениями в мышцах млекопитающих является креатинфосфат, а у беспозвоночных — аргининфосфат. За счет высокоэнергетических связей этих соединений из АДФ в мышцах может образовываться АТФ. Кроме процесса сокращения мышц актин как главный компонент микрофиламентов участвует в стабилизации и изменении формы клеток, в митозе, движении клеток ( в частности, амебоидном ), токах цитоплазмы, движении органелл, фагоцитозе, секреторной, активности, распределении белков в мембране и др.

68 Актин содержится практически во всех эукариотических клетках,  но особенно много его (20—68 Актин содержится практически во всех эукариотических клетках, но особенно много его (20— 30% от общего белка) в активно передвигающихся клетках (амебы, макрофаги, тромбоциты), у которых он преобладает среди белков клеточного экстракта. У большинства немышечных клеток, как и в мышечных волокнах, преобразователем энергии, обладающим АТФ-азной активностью, является миозин, близкий по структуре к мышечному.

69 Содержание АТФ в мышцах относительно постоянно ~ 5 м. М на 1 кг69 Содержание АТФ в мышцах относительно постоянно ~ 5 м. М на 1 кг сырого веса ( ~ 0, 25% ). Мышцы не накапливают значимых количеств АТФ, но её концентрация не может быть ниже 2 м. М на 1 кг сырого веса ткани , т. к. при этом в саркоплазматическом ретикулуме перестанет действовать «Са 2+ -насос» и мышца будет сокращаться вплоть до полного исчерпания всех запасов АТФ и развития ритора ( состояния стойкого непреходящего сокращения ).

70 В скелетных мышцах человека 3 вида анаробных процессов,  в ходе которых возможен70 В скелетных мышцах человека 3 вида анаробных процессов, в ходе которых возможен ресинтез АТФ : 1. креатинфосфокиназная реакция ( фосфогенный, алактатный анаэробный процесс ) — ресинтез АТФ за счет трансфосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ; 2. миокиназная реакция — ресинтез АТФ за счет дефосфорилирования части АДФ; 3. гликолиз ( лактацидный анаэробный процесс ) — ресинтез АТФ при ферментативном анаэробном расщеплении углеводов, заканчивающегося образованием молочной кислоты.

71 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 1.  Ресинтез АТФ путём трансфосфорилирования АДФ с креатинфосфатом,71 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 1. Ресинтез АТФ путём трансфосфорилирования АДФ с креатинфосфатом, катализируемый креатинкиназой : Это чрезвычайно быстрый и максимально эффективный путь ресинтеза АТФ ( за счет каждой молекулы креатинфосфата образуется 1 молекула АТФ ).

722. Ресинтез АТФ в миокиназной ( аденилаткиназной ) реакции - реализуется в мышцах при722. Ресинтез АТФ в миокиназной ( аденилаткиназной ) реакции — реализуется в мышцах при значительном увеличении концентрации АДФ ( мышечном утомлении ) в саркоплазме, когда скорость ресинтеза АТФ не уравновешивает скорость его расщепления — “ аварийный механизм ” ресинтеза АТФ, — часть образующейся АМФ необратимо дезаминируется и выводиться из энергетического обмена, что не выгодно, поскольку ведет к уменьшению общих запасов АТФ в мышцах. Одновременно некоторое увеличение концентрации АМФ в саркоплазме при миокиназной реакции активирует ферменты гликолиза ( фосфофруктокиназу ) и способствует повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ — миокиназная реакция выполняет роль метаболического усилителя передачи сигнала от АТФ-азы миофибрилл на АТФ-синтезирующие системы клетки. Как и креатинфосфокиназная, она легко обратима и используется для устранения избытка АТФ :

73

74 Мышцы - главные энергетические субстраты для них – глюкоза,  жирные кислоты и74 Мышцы — главные энергетические субстраты для них – глюкоза, жирные кислоты и кетоновые тела. В отличие от мозга , в мышцах запасается значимое количество гликогена (эквивалент – 5 000 k. J -1200 ккал ) — аккумулируется ~ 75% всего гликогена человека, а его количество после потребления пищи может достигать в мышцах 1% от их массы. Гликоген легко превращается в Гл-6 -Ф. В мышцах, как и в мозге, нет Гл-6 -Ф-азы, и поэтому они не могут экспортировать глюкозу, а накапливают её преимущественно для срочного получения энергии.

75 В активно действующей скелетной мышце скорость гликолиза значимо превышает скорость ЦТК.  Большая75 В активно действующей скелетной мышце скорость гликолиза значимо превышает скорость ЦТК. Большая часть образующегося при этом пирувата восстанавливается до лактата, транспортируемого и превращаемой в печени в глюкозу. И т. о. , по циклу Кори , метаболическая нагрузка мышц переносится в печень, пируват трансаминируется до глюконеогенного Ала, превращаемого в печени в глюкозу.

76 В покое  в мышцах ситуация другая :  главными энергетическими субстратами становятся76 В покое в мышцах ситуация другая : главными энергетическими субстратами становятся жирные кислоты. Для миокарда основными энергетическими субстратами могут стать кетоновые тела – сердце чаще использует ацетоацетат, чем глюкозу.

77 Между интенсивно протекающими в мышечной и печеночной тканях гликолизом и глюконеогенезом существует взаимосвязь77 Между интенсивно протекающими в мышечной и печеночной тканях гликолизом и глюконеогенезом существует взаимосвязь : при высокой активности мышц и активации гликолиза образующийся в них избыток лактата диффундирует в кровь и в печень, где значимая его часть превращается в глюкозу ( глюконеогенез ) — пируват используется как энергетический субстрат для деятельности мышечной ткани.

78 МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ I.  Цикл Кори В клетках,  не содержащих78 МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ I. Цикл Кори В клетках, не содержащих митохондрий ( в эритроцитах ) или в тканях при недостаточном снабжении О 2 ( в работающих мышцах ) АТФ ресинтезируется за счет процесса превращений глюкозы в лактат — анаэробного гликолиза. Лактат переносится кровью в печень, где в процессе глюконеогенеза с затратой АТФ вновь конвертируется в глюкозу ( цикл Кори ).

79 Цикл Кори 79 Цикл Кори

80 II. ГЛЮКОЗО-АЛАНИНОВЫЙ ЦИКЛ Обратная связь, подобная циклу Кори,  существует в цикле аланина80 II. ГЛЮКОЗО-АЛАНИНОВЫЙ ЦИКЛ Обратная связь, подобная циклу Кори, существует в цикле аланина , в котором также участвует пируват — цикл начинается с протеолиза белков. Образующиеся аминокислоты в результате трансаминирования превращаются в α-кетокислоты, которые в основном включаются в ЦТК.

81 Глюкозо-аланиновый цикл Мышечный белок Аминокислоты NH 3 Глутамат -кетоглутарат Глюкоза Пируват Аланин- трансаминаза81 Глюкозо-аланиновый цикл Мышечный белок Аминокислоты NH 3 Глутамат -кетоглутарат Глюкоза Пируват Аланин- трансаминаза Аланин Глюкоза Аланин Пируват Мочевина NH 3 Глутамат -кетоглутарат Кровь Мышцы Печень Цикл мочевино- образования Аланинтрансаминаза Гликолиз Глюконеогенез

82

83 БИОЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Энергия для сокращения и расслабления мышц обеспечивается поступлением АТФ :83 БИОЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Энергия для сокращения и расслабления мышц обеспечивается поступлением АТФ : Небольшой резерв энергии , которого хватает не более, чем на 10 -12 с , сосредоточен в виде креатинфосфата. Анаэробное гликолитическое расщепление гликогена ( гликолиз ) достигает своего максимума через 40 -50 с после начала мышечной работы. Через 60 -70 с включаются аэробные процессы образования ( фосфорилирования ) АТФ в митохондриях, расположенных вблизи саркомеров. Лимитирующим фактором этого процесса является количество поставляемого О 2.

84 Аэробный путь ресинтеза АТФ приобретает значение при длительной и менее  интенсивной работе84 Аэробный путь ресинтеза АТФ приобретает значение при длительной и менее интенсивной работе миокарда. Содержание АТФ и креатинфосфата в сердечной мышце ниже, чем в скелетной мускулатуре, а расход АТФ велик. Поэтому ресинтез АТФ в миокарде происходит намного интенсивнее, чем в скелетной мускулатуре.

85 Для миокарда основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования,85 Для миокарда основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглощением О 2. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления углеводов (гликолиз) в сердце человека практического значения не имеет и поэтому миокард очень чувствителен к недостатку О 2.

86 Характерной особенностью обмена веществ в миокарде по сравнению со скелетной мышцей является также86 Характерной особенностью обмена веществ в миокарде по сравнению со скелетной мышцей является также то, что большее значение имеет аэробное окисление веществ неуглеводной природы. Только 30– 35% поглощаемого сердцем О 2 , расходуется на окисление углеводов и продуктов их превращения.

87 Главным же субстратом дыхания в сердечной мышце являются жирные кислоты.  Окисление неуглеводных87 Главным же субстратом дыхания в сердечной мышце являются жирные кислоты. Окисление неуглеводных веществ обеспечивает около 65– 70% потребности миокарда в энергии, а из свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается окислению олеиновая кислота.

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!
РЕГИСТРАЦИЯ