Биоэнергетика
Свободная энергия и законы термодинамики n n Живые организмы сточки зрения термодинамики — открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии. Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии : общая энергия системы и окружающей среды — величина постоянная. Энергия может переходить из одной части системы к другой или превращаться из одной формы в другую. Второй закон - все физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит величина, называемая энтропией (S). Каждое органическое вещество, входящее в состав живой материи, обладает определенным запасом внутренней энергии. Е. Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, это свободная энергия — G.
Гетеротрофы. Аутотрофы • Живые организмы сточки зрения термодинамики — открытые системы. Между системой и окружающей средой - обмен энергии. n n Деление живых существ по способу питания - аутотрофы и гетеротрофы. Аутотрофы - используют СО 2 как источник углерода и трансформируют энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ; У гетеротрофов катаболизм органических веществ приводит к освобождению энергии и запасанию её в виде АТФ. 3. Основной путь получения энергии гетеротрофами окисление органических веществ путем дегидрирования.
Гетеротрофы. Аутотрофы.
Обмен веществ включает 3 этапа: n поступление веществ в организм, n метаболизм, n выделение конечных продуктов из организма. Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания перевариваются (расщепляются до простых веществ). При переваривании происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и др. сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен
Этапы катаболизма n 1. Макромолекулы (крахмал, белки, триацилглицеролы) превращаются в строительные блоки: моносахариды, аминокислоты, глицерол и высшие жирные кислоты. Запасания энергии на этом этапе практически не происходит. n 2. Строительные блоки подвергаются дальнейшему превращению в несколько молекул, которые могут окисляться в углекислый газ и воду в общем пути метаболизма. На этом этапе часть свободной энергии запасается в виде АТФ. n 3. Конечный участок общего метаболического пути, в котором молекулы превращаются в СО 2 и воду и улавливается максимально возможное количество свободной энергии.
Метаболизм. Катаболизм. Экзергонические реакции n Метаболизм — совокупность химических реакций, происходящих в организме. n Метаболический путь — последовательность реакций, приводящих к образованию определенного продукта. Соединения, образующиеся в ходе превращений — метаболиты. n n В метаболизме можно выделить пути катаболизма, ведущие к расщеплению сложных молекул и пути анаболизма, предназначенные для биосинтезов. n В результате катаболизма образуются конечные продукты обмена —СО 2 , Н 2 О и мочевина. Реакции катаболизма, сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции)
Метаболические пути
Анаболизм. Эндергонические и экзергонические реакции n Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы. n В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции). n В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клетки. n Катаболические и анаболические пути во многом различаются, но в тоже время они тесно связаны друг с другом. Катаболизм и анаболизм — это сопряженные взаимодополняющие процессы.
Эндергонические и экзергонические реакции n Каждое органическое вещество, входящее в состав живой материи, обладает определенным запасом внутренней энергии. Е. Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, это свободная энергия — G. n Направление химической реакции определяется значением G. Если G - , то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением G. n Реакции, сопровождающиеся уменьшением G — экзергонические. Самопроизвольные процессы — это экзергонические процессы, т. е. они сопровождаются уменьшением свободной энергии (- G) и могут служить источником энергии. n Если G +, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне, такие реакции называют эндергоническими.
Сопряжение эндергонических и экзергонических процессов n n В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счет энергии экзергонических реакций. Процессы, протекающие с потреблением и выделением энергии, связаны между собой. Эти реакции происходят при участии АТФ, АТФ — сопрягающий фактор, форма запасания энергии. Роль АТФ в клеточной энергетике: химическая энергия, освобождаемая в процессе катаболизма, запасается путем фосфорилирования АДФ с образованием АТФ; энергия АТФ затем используется после расщепления химических связей АТФ в ходе эндергонических реакций (процессы биосинтеза, активный транспорт, сокращение мышц и т. д. ) Основные источники энергии: жиры, белки, углеводы.
АТФ, АДФ, АМФ
Роль АТФ
Роль окислительно-восстановительных процессов в метаболизме Основной путь получения энергии гетеротрофами - окисление органических веществ путем дегидрирования. Его роль: n обеспечение организма энергией; n n терморегуляция
Другие функции биоокисления в клетке Роль прямого присоединения к S кислорода: n образование биологически важных метаболитов. n обезвреживание токсических веществ.
Макроэргические соединения n n n Макроэргические (высокоэнергетические) связи. Если энергия, освобождающаяся при гидролизе веществ, превышает 30 к. Дж/моль (7, 3 ккал/моль), то гидролизуемая связь высокоэнергетическая (макроэргическая). Макроэргические соединения — вещества, содержащие в своем составе высокоэнергетические (макроэргические) связи, при гидролизе которых высвобождается более 30 к. Дж энергии на 1 моль связей. К ним относят: нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ), нуклеозиддифосфаты, фосфоэнолпируват, 1, 3 дифосфоглицерат, карбамоилфосфат, сукцинил-Ко. А, ацетил-Ко. А, креатинфосфат, пирофосфат
Виды фосфорилирования как реакции образования АТФ: окислительное, субстратное, фотофосфорилирование Окислительное фосфорилирование — главный путь синтеза АТФ из АДФ и Рнеорг. n Реакция энергетически сопряжена с переносом Н с восстановленных коферментов на О 2. При этом освобождается основная часть энергии окисляемых веществ. n Энергия образуется в ходе окислительновосстановительных реакций и на промежуточном этапе запасается в виде электрохимического потенциала. n Энергетическое сопряжение реакций переноса Н (е- и Н+) и синтеза АТФ происходит при участии МТХ мембраны и Н+-АТФ-синтетазы.
Субстратное фосфорилирование, фотофосфорилирование n субстратное фосфорилирование — энергия, необходимая для образования АТФ (ГТФ) высвобождается при гидролизе связей других макроэргических соединений. Синтез АТФ происходит за счет энергии макроэргических связей S. Механизм сопряжения не требует участие мембраны. Например, при гликолизе ФЭП +АДФ АТФ + ПВК; 1, 3 дифосфогицерат+ АДФ АТФ + 3 -фосфоглицерат; В ЦТК — сукцинил-Ко. А сукцинат. n фотофосфорилирование — для синтеза АТФ используется энергия электромагнитного излучения (видимого света), которая запасается в виде электрохимического потенциала (у зеленых растений).
Тканевое дыхание. Дыхательная цепь Окисление орг. веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О 2, образованием Н 2 О и освобождением энергии— тканевое дыхание. n Тканевое дыхание включает: а) отнятие Н (е- и Н+) от S (дегидрирование) б) многоэтапный процесс переноса е- на О 2 n n Перенос е- сопровождается уменьшением свободной энергии; часть этой энергии рассеивается в виде теплоты, а около 40% используется на синтез АТФ. n Тканевое дыхание и синтез АТФ энергетически сопряжены.
Основные этапы трансформации энергии катаболических процессов n О 2 в процессе биоокисления используется как акцептор Н окисляемых (дегидрирумых) S, в результате чего синтезируется Н 2 О (400 мл в сутки) -2 Н+ SH 2 + ½ О 2 S + Н 2 О+220 к. Дж/моль. -2 е n Энергия, освобождающаяся в ходе реакции окисления, либо рассеивается в виде тепла, либо частично (40%) тратится на фосфорилирование A ДФ с образованием АТФ. Реакции дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТФ— это энергетически сопряженные реакции. Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием.
Дыхательная цепь n Дыхательная цепь (ЦПЭ) — путь переноса Н+ и е- от органических веществ на О 2 воздуха. Это система переносчиков, структурно закрепленная на мембране МТХ и расположенная в соответствии со своими редокспотенциалами. Последовательность расположения компонентов дыхательной цепи определяется окислит. -восстановит. потенциалами их окисленных и восстановленных форм.
Строение дыхательной цепи n n n Четыре белковых комплекса расположены во внутренней митохондриальной мембране Жирорастворимый кофермент коэнзим Q и водорастворимый цитохром c перемещаются между белковыми комплексами Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит по градиенту окислитвосстановит. потенциала.
Окислительно-восстановительные реакции. Окислительновосстановительный потенциал n n n Окисление – отщепление е-, присоединение е- —восстановление. А(окисленный)+В(восстановленный)=В(окисле нный)+А(восстановленный) В уравнении А является акцептором электронов, В – донор электронов. Окисленные и восстановленные формы одного и того же соединения сопряженные пары, или редокс пары. Е 0 NAD+/NADH = -0, 32 v, Е 0 ½ О 2 + 2 Н+ + 2 е- /Н 2 О = + О. 82 v.
Редокс-потенциал Мерой сродства редокс-пары к е - — окислительно-восстановительный потенциал или редокс-потенциал (Е 0 ). Выражается в вольтах, чем меньше (отрицательнее), тем меньше сродство к е-. Чем больше сродство, тем больше окислительновосстановительный потенциал. n Разные редокс-потенциалы — разное сродство к е-. Те, у кого сродство <, отдают е - тем, у кого оно >. n
Уравнение Нернста n n Е 0 связано с G 0 уравнением: G 0 = - n F E 0 , где п — число перенесенных е; F – постоянная Фарадея (23 061 ккал/моль вольт), E 0 — разность окислительно-восстановительных потенциалов электрон-донорной и электронакцепторной систем =[0, 82 – (-0, 32) =1, 14]. Положительное значение E 0 указывает на экзергонический характер реакции, протекающей в стандартных условиях. E 0 - стандартная величина окислит-восстановит. потенциала (определяется в стандартных условиях). Концентрация веществ = 1 М, Р газов = 1 атм. , а р. Н = 7, 0.
Е и коферменты дыхательной цепи n За исключением Ко. Q — все компоненты — белки. Субстраты НАД и НАДФ-зависимых дегидрогеназ — в матриксе МТХ и в цитозоле. Первичные доноры Н для НАД-зависимых дегидрогеназ: пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, глутамат n У аэробных организмов конечным акцептором электронов, получаемых от молекул, является кислород. Электроны передаются от метаболитов к специальным переносчикам электронов. Электроны от переносчиков к кислороду передаются по дыхательной цепи.
Комплексы I, III, IV
I, III, IV, V комплексы n НАДН-дегидрогеназа (НАДН – Ко. Q- редуктаза, комплекс I) - FMN содержащий Е. n Сукцинат-дегидрогеназа (СДГ)— комплекс II (кофермент ФАД). n Ко. Q 2 -дегидрогеназа (коэнзим. Q – цит. С-редуктаза) — комплекс III. n ЦТХ-оксидаза — комплекс IV. n Н+-АТФ-синтетаза — комплекс V.
Пиридиновые нуклеотиды: НАД+ и НАДФ+.
Окисленная и восстановленные формы НАД
Окисленная и восстановленные формы НАД
Комплекс I НАДН-дегидрогеназы (FMN содержащий Е) — во внутренней мембране (окисляет НАДН), образующийся в МТХ матриксе. n НАДН-дегидрогеназа (НАДН – Ко. Q-редуктаза, комплекс I) - FMN содержащий Е. n S — НАДН (перенос 2 е- и Н+ на FMN. 2 й Н+ — из матрикса). n
Комплекс II. n Fe S центры СДГ — комлекс II. ФАД-зависимые-дегидрогеназы (СДГ, дегидрогеназа ЖК) переносят Н на убихинон. Суммарная реакция: – сукцинат + коэнзим Q фумарат+ коэнзим QH 2 – Первичные доноры Н для ФАД-зависимых дегидрогеназ - сукцинат, ацил-Ко. А, α-глицерофосфат. n Большинство ФАД-зависимых дегидрогеназ — локализовано в матриксе МТХ, за исключением СДГ (во внутренней мембране МТХ). n Fe S центры входят в состав ферментных комплексов I, II и III. (во флавопротеидах, ЦТХ) содержат негемовое Fe. 3 х типов (Fe. S, Fe 2 S 2, Fe 4 S 4), атом Fe связан с атомом S остатков цис или неорг. S. Атомы Fе могут отдавать и принимать е- поочередно, переходя в ферро (Fe 2+) и ферри (Fe 3+) состояния. n n n
Типы железо-серных центров
Комплекс II – сукцинат-кофермент Q редуктаза n n n сукцинатдегидрогеназа – фермент цикла Кребса; сукцинатдегидрогеназа – ФАД-зависимая; Содержит три типа Fe-S центров : – 4 Fe-4 S, 3 Fe-4 S, 2 Fe-2 S Передача электронов: сукцинат ФАДН 2 2 Fe 2+ коэнзим QH 2 Суммарная реакция: – сукцинат + коэнзим Q фумарат+ коэнзим QH
ФМН. ФАД
ФАД
ФМН
Комплекс III n n Ко. Q — коллекторная функция, присоединяет Н от НАДН-дегидрогеназы и др. флавинзависимых дегидрогеназ (СДГ). Ко. Q-дегидрогеназа (коэнзим Q – цит. Средуктаза) — комплекс III. Ко Q передаёт электроны на -цитохром с и выкачивает протоны в межмембранное пространство (Q цикл); Ко. Q-дегидрогеназа переносит е- от убихинола (Ко. QН 2) на цит. С. Внутри комплекса III епереносится от цит. В на Fe. S-центры, на цит. С 1, а затем на цит С. Гем , подобно Fe. S центрам переносит только по 1 е-. Цит. С периферический водорастворимый мембранный белок, сод. 1 полипептидную цепь и молекулу гема.
Коэнзим Q-цитохром с редуктаза (комплекс III) n n n коэнзим Q передаёт электроны на -цитохром с и выкачивает протоны в межмембранное пространство (Q цикл); главным белком этого комплекса является цитохром b с гемами. цитохромы, как и железосерные центры являются одноэлектронными переносчиками; коэнзим Q – жирорастворимый переносчик электронов; цитохром с – водорастворимый переносчик электронов.
Комплекс III Co. Q-Cytochrome c Reductase
Убихинон
Ко. Q
Цитохромы n n ЦТХ дыхательной цепи обозначают буквами b, с1, с, а и а 3, расположены в ЦПЭ в порядке увеличения окислительно-восстановительного потенциала. Комплекс III, включающий ЦТХ b и с1, функционирует как Ko. QН 2 дегидрогеназа, осуществляет перенос е- с QH 2 на цит. С. е- последовательно проходят через атомы Fe ЦТХ b и с1, а затем поступают на цит. С. С Ko. QН 2 передаются 2 е-, т. к. ЦТХ переносят за 1 цикл по 1 е-, то перед символом ЦТХ ставится коэффициент 2.
IV-комплекс n ЦТХ-оксидаза (цтх с-редуктаза -IV комплекс), включает 2 ЦТХ (а-а 3), содержит ионы меди. n Перенос е-комплексом а-а 3 включает р-ции : Си+ ↔ Си 2+ + е. Fe 2+ ↔ Fe 3+ + е- n Переносит е- с цит. С на О 2. Каждый из атомов О 2 последовательно присоединяет по 2 е- и 2 Н+, превращаясь в Н 2 О. О 2 + 4 е- + 4 Н+ 2 Н 2 О
Комплекс IV Cytochrome Oxidase c
Ингибиторы дыхательной цепи n n Ингибиторы NADH-дегидрогеназы: ротенон, амитал (из группы барбитуратов). Ингибитор QH 2 -дегидрогеназы – антимицин А (антибиотик). n Ингибиторы ЦТХ-оксидазы – цианид, СО, Н 2 S. Цианид присоединяется к Fе ЦТХ-оксидазы. n Переносчики цепи, стоящие в цепи непосредственно перед блокированным этапом, становятся более восстановленными, а стоящие после – более окисленными
Сопряженное окислительное фосфорилирование вдыхаемый О 2 - SH 2 ----2 Н+-- 2 е- + ½ О 2 S + Н 2 О S восст (окисление, экзоэргический процесс) S окислен ↓ энергия---- тепловая энергия ↓(40%) АДФ + Фн АТФ + Н 2 О (фосфорилирование, ) эндергонический процесс
Окислительное фосфорилирование n n n NADH+H++1/2 О 2 NAD++ Н 2 О+ 52, 6 ккал/моль (220 к. Дж/моль)—экзергонический процесс. АДФ + Н 3 РО 4 + 7, 3 ккал/моль (30, 5 к. Дж/моль) АТФ + Н 2 О — эндергонический процесс. Синтез АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счет энергии переноса е- по ЦПЭ — окислительное фосфорилирование.
Уравнение расчета энергии переноса 2 е от НАДН+ Н+ к ½ О 2. E НАДН/ О 2 = (О, 82 -(- О, 32) = 1, 14. n G = 2* 23, 065* 1, 14 = 52, 6 ккал/моль или 220 к. Дж/моль. n Величина - теоретически достаточна для синтеза 7 АТФ, но синтезируется не более 3 - х. n
В митохондриях процессы: n Перенос е- с окисляемых S на О 2 (дыхание). n Перенос Н+ из матрикса МТХ в межмембранное пространство и образование трансмембранного электрохимического потенциала. n Синтез АТФ за счет потока Н+ из мембранного пространства в матрикс.
Q-цикл n n n Ko. Q переносит е- от комплекса I к комплексу III и Н+ в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения — Q-цикл. Донором е для комплекса III служит Ko. QН 2, а акцептором — цитохром С. В мембране — стационарный общий фонд Q/QH 2, из которого каждая молекула QH 2 в одном цикле обеспечивает перенос Н+ из матрикса в межмембранное пространство и е-, которые в конечном итоге поступают на О 2.
Векторное действие Е ЦПЭ n Е ЦПЭ фиксированы в МТХ мембране так, что их действие векторно, т. е. характеризуется не только величиной скорости реакции, но и пространственной направленностью. Основным проявлением векторности в ЦПЭ является перенос Н+ с внутренней стороны мембраны (со стороны матрикса) на наружную (в межмембранное пространство).
АТФ-синтаза n Переносчики е- организованы в 3 комплекса (I, III, IV) во внутренней мембране МТХ. Эти комплексы, используя энергию е-, обеспечивают перенос Н+ из матрикса в межмембранное пространство (векторное действие). В результате возникает протонный электрохимический потенциал. n При достижении определенного значения ΔμН+ происходит активация АТФ-синтазы (комплекс V), в ней открывается канал, через который Н+ возвращаются в матрикс из межмембранного пространства, а энергия ΔμН+ используется для синтеза АТФ. n Каждый из 3 комплексов ЦПЭ (I, III, IV) обеспечивает необходимый градиент Н+ градиент для активации АТФ-синтазы и синтеза 1 молекулы АТФ. n Образующаяся АТФ при участии АДФ/АТФтранслоказы из матрикса ЦП. Та же транслоказа переносит АДФ из ЦП в матрикс МТХ.
Механизм сопряжения. Протонный градиент и электрохимический потенциал. Наиболее активный транспорт H + — на участках, соответствующих I, III и IV комплексам — пункты сопряжения или фосфорилирования Электрохимический и концентрационный градиенты — электрохимический потенциал. n ΔμН+ — источник энергии для синтеза АТФ. n
Н+-АТФ-синтетаза n n Электрохимический потенциал вынуждает Н+ двигаться в обратном направлении — с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается Е Н+-АТФ-синтетаза, катализирующую р-цию: АДФ + Н 3 РО 4 АТФ + Н 2 О.
ΔμН На работу, совершаемую при выкачивании Н+, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе е- по градиенту редокс-потенциала. n Энергия электрохимического потенциала (ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если Н+ возвращается в матрикс через ионные каналы АТФсинтетазы. n
Хемиосмотическая теория П. Митчела (Нобелевская премия). n n n Перенос электронов по дыхательной цепи от НАД. Н+Н+ к кислороду сопровождается выкачиванием Н+ из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а р. Н меньше, чем в матриксе.
Хемиосмотическая теория П. Митчела n Каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный на внешней. n В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал Н+– источник энергии для синтеза АТФ
Гипотеза Митчелла
Протонный градиент и АТФ-синтаза
Н+-АТФ-синтетаза n n n Н+-АТФ-синтетаза — интегральный белок внутренней мембраны МТХ, Олигомерный белок, состоит из 2 х комплексов — F 0 и F 1. Гидрофобный комплекс F 0 (трансмембранная часть) погружен в мембрану, состоит из нескольких субъединиц, образующих гидрофильный канал, по которому Н+ переносятся в матрикс. F 1 -субъединица (9 субъединиц) содержит активные центры Е Н+-АТФ-синтетазы, синтезирующей АТФ. ΔμН+ заставляет Н+ двигаться по каналу АТФсинтетазы в матрикс. Под действием ΔμН+происходят конформационные изменения в субъединицах и активация АТФсинтетазы, в результате чего синтезируется АТФ.
АТФ-синтаза
АТФ-синтаза
АТФ-АДФ-транслоказа n n n В большинстве клеток синтез АТФ происходит в митохондриях, а основные потребители АТФ расположены вне её; В мембране есть белок АТФ/АДФ-антипортер (транслоказа), осуществляющий перенос этих метаболитов через мембрану; Молекула АДФ поступает в митохондриальный матрикс только при условии выхода молекулы АДФ из матрикса; Движущая сила такого обмена - мембранный потенциал переноса электронов по ЦПЭ; На транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти свободной энергии протонного потенциала. Т. О. образующаяся АТФ при участии АДФ/АТФтранслоказы из матрикса ЦП. Та же транслоказа переносит АДФ из ЦП в матрикс МТХ.
Р/О n n В расчете на каждый атом поглощенного О 2 МТХ образуют 3 молекулы АТФ, т. е. 3 молекулы Н 3 РО 4 связываются с АДФ. Отношение количества связанной Н 3 РО 4 к количеству поглощенного О называют коэффициентом фосфорилирования, обозначают Р/О. ФАД-зависимые-дегидрогеназы не являются протонными насосами: в этом случае в ЦПЭ действуют только два пункта перекачки протонов — комплексы III и IV и коэффициент Р/О не может быть >2. Т. о. , Р/О = 3 или<3.
Дыхательный контроль n n n Результат окисления НАДН и фосфорилирования АДФ в ЦПЭ можно представить так: НАДН+Н++ ½ О 2 НАД + Н 2 О 3 АДФ + 3 Н 3 РО 4 3 АТФ + 3 Н 2 О n Зависимость дыхания МТХ от концентрации АДФ — дыхательный контроль. n Скорость синтеза АТФ определяется потребностью клетки в энергии. При увеличении расходования АТФ, увеличивается концентрация АДФ, а это ведет к ускорению дыхания и фосфорилирования.
Разобщение дыхания и фофорилирования n n Разобщители — липофильные вещества, легко проходящие через липофильный слой мембраны. 2, 4 динитрофенол (липофильное вешество) диффундирует через МТХ мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и поэтому может переносить Н+ через мембрану в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. 2, 4 динитрофенол уничтожает ΔμН+ МТХ мембраны и энергия рассеивается в виде тепла (разобщители обладают пирогенным действием. ). Потребление О 2 и окисление S при этом происходят, но синтез АТФ не возможен. Разобщители: дикумарол, билирубин, тироксин в высоких концентрациях, ВЖК.
Разобщители Разобщение потока электронов и окислительного фосфорилирования происходит при нарушении протонного градиента; n Разобщители являются гидрофобными молекулами, способными диссоциировать; n Они перемещаются через мембрану, переносят протоны из межмембранного пространства обратно в матрикс, нарушая протонный градиент. n
Терморегуляторная функция n Разобщающий белок – термогенин способен переносить анионы ЖК, служащие разобщителями.
Токсические формы кислорода n Полное восстановление О 2 до Н 2 О требует присоединения 4 е-. О 2. + 4 е- + 4 Н+ 2 Н 2 О n В организме О происходит поэтапно, с переносом 1 е-. Присоединение 1 е- образует супероксидный анион О 2 -, который на внешней восстановление орбитали имеет неспаренный е-. Такие атомы (или молекулы, содержащие такие атомы) - свободные R. О 2 -, принимая е-, превращается в Н 2 О 2, присоединение 3 го е- приводит к образованию Н 2 О и ОН. n Присоединение 4 го е- превращает ОН. в молекулу Н 2 О. n О 2 -, О 22 - и ОН. — активные формы О. Н 2 О 2 не является свободным R, но может порождать свободные R. Свободные R имеют высокую химическую активность, реагируя с любой молекулой, извлекая из неё е- и тем самым порождая новые R, т. е. возникают цепные реакции.
Токсические (АФК) формы кислорода n n n Значительная часть активных формы О образуется при переносе е- в МТХ дыхательной цепи, прежде всего в Ко. Q- цит. С –редуктазном комплексе. Происходит в результате неферментативного переноса (утечки) электрона с Ко. QН 2 на О 2. Утечка е- из ЦПЭ и непосредственное их взаимодействие с О 2 — основной путь образования АФК. Ко. Q в ЦПЭ принимает от доноров последовательно по 1 е-, превращаясь в форму семихинона — Ко. QН , который в свою очередь может превращаться в другие АФК: О 2 +е- О 2 - + е- + 2 Н+ Н 2 О 2 +е- +Н+ Н 2 О + ОН Супероксиданион пероксид водорода гидроксильный R n Свободные R повреждают НК, мембранные липиды, белки, углеводы, повреждения могут быть гибельными для клетки
Повреждающее действие АФК n n Способны модифицировать белки, НК, индуцировать ПОЛ, к которому наиболее чувствительны полиеновые ЖК ФЛ мембран; образование свободных R ЖК (R • ), перекисей и гидроперекисей липидов (L– O - O • , L – ОН), диеновых (R – CН = СН - СН 2– СН = СН -) и триеновых конъюгатов, изменяющих свойства мембран – появление гидрофильных зон); малоновый диальдегид – конечный продукт деградации ЖК – альдегидными группами взаимодействует с NН 2 -группами белков, вызывая их необратимую денатурацию.
Антиоксидантные системы n n n неферментативные - аскорбиновая кислота, α-токоферол, βкаротин, мочевая кислота, убихинон. ферментативные – СОД, каталаза, глутатионпероксидаза. глутатионредуктаза, церулоплазмин. Ферментативные антиоксидантные системы n 2 О 2 - + 2 Н+ СОД Н 2 О 2 + О 2 n 2 Н 2 О 2 n n n каталаза 2 Н 2 О + О 2 Глутатион – γ – глутамил-цистеинил-глицин 2 ГSН +2 Н 2 О 2 глутатионпероксидаза Г-S-S-Г + 2 Н 2 О 2 ГSН + НС – ОН Г-S-S-Г + НС – ОН + Н 2 О 1 n органический пероксид Г-S-S-Г+ НАДФН+Н+ глутатионредуктаза 2 ГSН + НАДФ+
Скачать презентацию Биоэнергетика Свободная энергия и законы термодинамики n
3 Биоэнергетика И.С. Григ.ppt