Биологическое окисление (тканевое дыхание) лекции Т. В. ЖАВОРОНОК доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Сиб. ГМУ
• Клетки превращают питательные вещества в клеточные компоненты и извлекают энергию из окружающей среды при помощи высоко интегрированной системы химических реакций, называемой «обмен веществ» или «метаболизм» . • Здесь «вещества» – это метаболиты. Все процессы жизнедеятельности сопровождаются переносом веществ и энергии, которые тесно связаны между собой: 1) Пластические процессы – структурное обеспечение клеток и организма (биомембраны, рост…) 2) Энергетические процессы – обеспечение энергией Метаболизм основан на высоко интегрированной мультиферментной системе
ВИДЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ • Внешний включает процессы ассимиляции, т. е. поглощения химических соединений из внешней среды (белки, жиры, углеводы, соли, О 2, Н 2 О…) • Промежуточный (тканевой) состоит из 2 фаз: 1) катаболизм, в котором происходит расщепление сложных органических молекул до простых конечных продуктов; при этом высвобождается энергия, заключённая в сложной структуре больших органических молекул. На определённых этапах эта энергия реализуется (трансформируется): • в макроэргические связи остатков фосфорной кислоты молекул АТФ; • в восстановительные эквиваленты (запас в виде НАДФН·Н), обеспечивающие процессы синтеза.
2) анаболизм, в котором из малых молекул-предшественников (строительных блоков) синтезируются сложные органические макромолекулярные компоненты клеток (белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы), что сопровождается расходом энергии. Эти 2 фазы протекают в клетках одновременно и связаны веществом и энергией: (Б, У, Л) специфические катаболизм АТФ (~Р) анаболизм низкомолекулярные продукты энергия в-ва НАДФН·Н молекулы-предшественники
• АТФ – молекула, богатая энергией, поскольку её трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи. При гидролизе АТФ→АДФ+Фн высвобождается большое количество свободной энергии ΔG = 7, 3 ккал/моль • АТФ – главный непосредственный ДОНОР свободной энергии, а не форма запасания энергии. Весь АТФ расходуется в клетке в течение 1 минуты • Чтобы получить необходимые ежедневно среднестатистическому человеку 2500 ккал нужно 40 кг АТФ, а в организме всего 50 г = АТФ+АДФ+АМФ → каждая молекула АТФ в сутки тысячи раз фосфорилируется и дефосфорилируется, что снижает её время жизни → постоянный синтез АМФ
Существует 3 стадии генерирования энергии при окислении питательных веществ: Белки углеводы липиды(жиры) I стадия (специфи- 20 АК глюкоза глицерол+СЖК ческая) ДОАФ пируват (СН -СО-СООН) II стадия СО 2 (неспецифи- 3 ацетил~Ко. А (СН -СО~SКо. А) 3 ческая) III стадия ЦТК ẽẽ 2 СО 2 (ФАДН 2 3 НАДН·Н) дыхательная цепь митохондрий (общий этап обмена Б, Ж, У) О 2+2 H+→Н 2 О
• I стадия – превращение полимеров в мономеры, осуществляют пищеварительные ферменты. • II стадия – превращение мономеров в ключевые метаболиты (ацетил. Ко. А и пируват), одинаковые вещества образуются в разных видах обмена, за счёт них обменные процессы взаимосвязаны. • III стадия – ЦТК и окислительное фосфорилирование. Представляют собой конечные общие пути в окислении топливных молекул. ЦТК – циклическая последовательность из 8 реакций, начинается с ОА. Тканевое дыхание (биологическое окисление) – процесс превращения Б, У, Ж в аэробных условиях до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О, а энергия химических связей этих соединений реализуется в виде макроэргических связей остатков Н 3 РО 4 молекул АТФ. СО 2 образуется в ПДГ-комплексе и ЦТК (две реакции декарбоксилирования), Н 2 О образуется в конце дыхательной цепи при переносе ẽẽ и H+ на кислород.
• Аэробное декарбоксилирование пирувата СН 3 СОСООН(окислительное) заканчивается: 1) переносом части окисляемых H+ на НАД с образованием НАДН·Н → в дыхательную цепь; 2) переносом образуемой в результате удаления СО 2 уксусной кислоты на коэнзим А с образованием Ас~Ко. А → в ЦТК. • Большинство топливных молекул вступают в ЦТК после превращения в Ас~Ко. А. В ЦТК идёт катаболизм (распад) Ас~Ко. А до 2 СО 2, часть энергии аккумулируется в виде ГТФ→АТФ за счет субстратного фосфорилирования, а 4 H+ переносятся на 1 молекулу ФАДН 2 и 3 молекулы НАДН·Н и поступают → в дыхательную цепь. • ЦТК выполняет ещё и анаболическую функцию – поставляет промежуточные продукты для биосинтезов: - для глюкозы (в процесс глюконеогенеза), - для аминокислот (в процесс переаминирования)
СН 3 -СООН 2 С → 2 СО 2 4 Н → 4 дегидрогеназы ЦТК (1 ФАДН 2 и 3 НАДН·Н) СН 3 -СО~SКо. А
НАДН·Н и ФАДН 2 - богатые энергией молекулы, т. к. содержат по 2ẽ с высоким потенциалом переноса: у НАДН·Н редокс-потенциал=-0, 32 В (первичный донор дыхательной цепи), у молекулы О 2 редокс-потенциал=+0, 82 В (конечный акцептор цепи), остальные компоненты дыхательной цепи занимают промежуточное положение. Перепад энергии используется для генерирования АТФ. Процесс образования АТФ сопряжён с транспортом ẽ по цепи переносчиков от НАДН·Н или ФАДН 2 к О 2, называется «окислительное фосфорилирование» .
• БАХ. В окислительных процессах принимает участие активный кислород (О 2) • Палладин. Окисление субстратов идёт за счёт дегидрирования, т. е. без непосредственного участия О 2, который присоединяется только на последнем этапе • Механизм протекания процесса окислительного фосфорилирования предложил П. Митчел, сформулировав его в виде хемиосмотической теории
МЕЖМЕБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО МАТРИКС КРИСТЫ ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА
Основная идея процесса: 1. Окислительное фосфорилирование идёт на внутренней мембране митохондрии. 2. ЦТК протекает в матриксе митохондрий и поставляет большую часть НАДН·Н и ФАДН 2. 3. Окисление и фосфорилирование – процессы сопряжённые, характеризуются отношением Р/О (это число молекул неорганического фосфата, включающегося в органические формы в расчёте на 1 атом потребляемого О 2). При окислении НАДН·Н индекс Р/О=3, т. е. НАДН·Н даёт 3 молекулы АТФ. При окислении ФАДН 2 индекс Р/О=3, т. е. ФАДН 2 даёт 2 молекулы АТФ.
4. Работают дыхательные ансамбли, включающие в себя многочисленные переносчики ẽ. Многоступенчатый транспорт ẽ от НАДН·Н и ФАДН 2 к О 2 способствует выбросу H+ из матрикса митохондрии в межмембранное пространство и генерированию мембранного потенциала (протон-движущей силы). H+ перекачиваются 3 -мя видами ẽ-переносящих комплексов. В процессе обратного тока H+ в митохондриальный матрикс через трансмембранный ферментный комплекс АТФ-синтетазу происходит синтез АТФ.
В дыхательной цепи митохондрий работает 4 комплекса (ансамбля): I – НАДН·Н - коэнзим Q II – сукцинат(ФАДН 2) - коэнзим Q III – коэнзим Q - цитохром с - редуктазный IV – цитохром с - оксидазный АТФ-синтазную систему считают V комплексом.
матрикс митохондрии межмембранное пространство Схема дыхательной цепи митохондрий Далее механизмы её работы более подробно
I комплекс (НАДН·Н - коэнзим Q) С НАДН протоны и электроны поступают на ФМН. На ФМН. H 2 происходит разделение H+ и ẽ: перенос H+ на другую сторону мембраны, а ẽ идут через железосерные комплексы (железо-серные белки – это негемовые железопротеины) на коэнзим Q II комплекс (сукцинат(ФАДН 2) - коэнзим Q) • H+ H+ • • I • ФМН. H 2 ẽẽ ФМН Fe. S II Q---QH 2 ẽẽ • • НАДН·Н ФАДН 2 В итоге работы первых двух комплексов ẽ через флавопротеины поступают на Ко. Q и следуют далее на комплексы цитохромов
• Электроны при своём окислительном движении вдоль внутренней мембраны митохондрий трижды (в 3 -х комплексах: I, III, IV) пересекают мембрану от внутренней поверхности к наружной и при этом в межмембранное пространство выбрасывается по 2 H+. Комплексы цитохромов переносят только ẽ, используя Fe. S-белки. • H+ H+ III H+ H+ IV
В результате переноса ẽ по дыхательной цепи идёт выброс H+ из матрикса в межмембранное пространство, где концентрация Н+ возрастает. • Протонный градиент, образованный окислительным транспортом электронов, представляет собой резервуар свободной энергии. Теперь, если обеспечить поток Н+ обратно сквозь мембрану, можно получить энергию.
Энергия накапливается в протонном градиенте за счет 2 компонентов: • 1 -й компонент – разница в концентрации ионов H+ на противоположных сторонах мембраны. Концентрационный градиент протонов обозначают как дельта р. Н (Δ р. Н). Энергия концентрационного градиента не зависит от абсолютной величины р. Н. Она обусловлена разницей р. Н по обе стороны мембраны и составляет около 60 мэ. В. (Δ р. Н = 60 мэ. В).
• 2 компонент Протон Н+ является заряженной частицей. Поэтому 2 компонент энергии протонного градиента - это градиент электрического заряда Н+. Движение зарядов через мембрану создает разницу в электрическом потенциале. В итоге возникает электростатическое поле, которое действует на все заряженные частицы. Этот компонент обозначают как мембранный потенциал - дельта пси (Δ ), он составляет 160 -180 мэ. В.
Общая энергия протонного градиента, т. е. разность электрохимического потенциала протонов – это сумма концентрационного (или осмотического) и электрического компонентов: Δ Н = Δр. Н + Δ = 230 -240 мэ. В • Таким образом, основной смысл хемиосмотического механизма в том, что первичным актом, запасающим энергию, является перенос протонов через внутреннюю мембрану митохондрии
• Сопряжение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования определяется уникальными свойствами внутренней мембраны митохондрии. Она плотнее наружной мембраны, поэтому 1) имеет высокое электрическое сопротивление 2) выдерживает высокое электрическое напряжение • Мембрана находится под огромным
• Повреждение мембраны по любой причине - при гипоксии (недостатке кислорода) - подаче большого количества О 2 - активации перекисного окисления липидов - набухании митохондрий ведет к пробою мембраны. В этом случае Н+ не могут накапливаться в межмембранном пространстве, и митохондрия не выполняет своей главной функции – производства энергии и снабжения этой энергией всей клетки.
Пути расходования энергии Δ Н 1) на механическую работу (вращение жгутиков, движение сперматозоидов, диапедез лейкоцитов) 2) на осмотическую работу (перенос частиц через мембраны – например ионов Са 2+ в матрикс митохондрий или секреция ионов Н+ в полость желудка при образовании соляной кислоты) 3) на теплообразование (механизм см. в конце лекции) 4) на образование АТФ. В виде АТФ энергия используется для внутриклеточных процессов. Всего в 3 -х точках дыхательной цепи создается достаточный уровень энергии ΔμН+, поэтому только за счёт этих 3 -х точек происходит образование АТФ
V комплекс Синтез АТФ осуществляет митохондриальная АТФ-аза (АТФ-синтетаза). • АТФ-синтетаза состоит из 2 -х частей: 1 часть – сопрягающий фактор 1 (F 1). F 1 - это белок с массой в 360 к. Да, содержит 5 видов полипептидных цепей. Физиологическая роль этого компонента состоит в катализе синтеза АТФ. 2 часть – протонный канал (F 0) АТФ-синтезирующего механизма
протонный канал комплекса (F 0) Н+ Н+ Н+ ТРАНСЛОКАЗА Н+ Н+ стебелек АДФ + Рi = АТФ АДФ сопрягающий фактор (F 1)
Гипотеза П. Митчелла: ток Н+ непосредственно действует на реакцию синтеза АТФ. Сначала свободная фосфатная группа связывается с ферментом в активном участке F 1 -компонента комплекса, (вблизи конца протонного канала через Fо). По каналу под действием мембранного потенциала и градиента р. Н переходят два Н+. Эти два Н+ воздействуют на один из кислородов фосфата и соединяются с ним, образуя молекулу воды. Фосфатная группа при этом становится активной и легко связывается непосредственно с АДФ, образуя АТФ.
протонный канал комплекса или F 0 Н+ Н+ Н+ ТРАНСЛОКАЗА Н+ Н+ стебелёк ТРАНСЛОКАЗА АДФ + Рi = АТФ АДФ сопрягающий фактор 1 или F 1
Пути расходования АТФ • 1) на осмотическую работу; • 2) на механическую работу; • 3) на химическую работу: а) аллостерический регулятор, б) пластический материал для синтеза нуклеиновых кислот, коферментов, в) источник ц. АМФ, г) источник фосфатных групп для образования фосфорных эфиров, д) источник энергии для процессов синтеза.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ. • Скорость дыхания митохондрий, а, следовательно, и скорость образования энергии – регулируемый процесс. • Скорость может контролироваться концентрацией АДФ. Если в митохондриях весь АДФ→АТФ, то это ведёт к торможению переноса ẽ в дыхательной цепи. Это обусловлено тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены, т. е. функционирование дыхательной цепи по окислению Н+ и ẽ не может осуществляться, если оно не сопровождается фосфорилированием АДФ.
Окисление и фосфорилирование могут быть не только сопряжены, но и разобщены или заингибированы ГРУППЫ ИНГИБИТОРОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ОСФОРИЛИРОВАНИЯ 3 группы: 1) Ингибиторы собственно дыхательной цепи 2) Ингибиторы окислительного фосфорилирования 3) Разобщители окислительного фосфорилирования
1) ИНГИБИТОРЫ, БЛОКИРУЮЩИЕ ДЫХАТЕЛЬНУЮ ЦЕПЬ действуют в 3 местах, соответствующих трем комплексам дыхательной цепи: • Первый участок блокирования – в 1 -ом комплексе дыхательной цепи, где ингибиторы препятствуют НАД-зависимому окислению субстратов. Ингибиторы: барбитураты (амобарбитал), ротенон (очень токсичен; американские индейцы добывали его из растений и использовали в качестве яда при ловле рыб).
• Второй участок блокирования дыхательной цепи локализован в 3 -м комплексе между цитохромами b и с. Ингибитором является антибиотик антимицин А • Третий участок блокирования – 4 -й комплекс, т. е. цитохромоксидаза, локализованная в конце цепи. Ингибируется классическими ядами – сернистым водородом окисью углерода цианидом
2) ИНГИБИТОРЫ, ПОДАВЛЯЮЩИЕ СТАДИЮ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ: • антибиотик олигомицин, который полностью блокирует окисление и фосфорилирование в интактных митохондриях за счет того, что не пропускает протоны через канал F 0. • Атрактилозид блокирует окислительное фосфорилирование за счёт ингибирования фермента транслоказы, производящей поступление АДФ в митохондрию и выход АТФ из митохондрии.
3) РАЗОБЩИТЕЛИ отличаются тем, что нарушают в дыхательной цепи систему сопряжения процессов окисления и фосфорилирования. • В этих условиях процесс дыхания происходит неконтролируемым образом, т. е. концентрации АДФ и Фн в этом случае не являются лимитирующими. • Разобщители обычно легко растворимы в липидном слое мембран, этим объясняется их разобщающее действие
ТИПЫ РАЗОБЩЕНИЯ 1) Разобщители увеличивают проницаемость митохондриальной мембраны для протонов (протонофоры), тогда не может набраться достаточно водородных ионов для создания необходимой ΔμН+, и энергия рассеивается. К этому типу относят динитрофенол и другие нитро- и галогенные производные фенола (связывают Н+ и переносят через мембрану), некоторые кислые продукты метаболизма, продукты ПОЛ. 2) Разобщители сами проникают через мембрану митохондрии и нейтрализуют заряд протонов, чем снижают ΔμН+. К ним относят многие антибиотики.
РАЗОБЩИТЕЛИ БЫВАЮТ ЭКЗОГЕННЫМИ И ЭНДОГЕННЫМИ • лекарственные вещества – строфантин, папаверин, салицилаты • естественные метаболиты организма: - белок термогенин бурой жировой ткани (у страдающих ожирением бурого жира мало) - тиреоидные гормоны - жирные кислоты Эндогенные разобщители важны для согревания организма на холоде (см. далее механизм согревания)
• Снижение температуры тела возбуждает терморецепторы, что ведёт к повышению выделения гормона норадреналина. В результате увеличивается липолиз и повышается содержание жирных кислот. • Активируется бета-окисление жирных кислот и увеличивается количество ацетил-Ко. А, что способствует возрастанию активности цикла Кребса, повышению содержания НАДН и ФАДН 2, поступающих в дыхательную цепь, где растёт активность тканевого дыхания и увеличивается электрохимический потенциал
• Однако сами жирные кислоты снижают ΔμН+ за счёт сброса Н+ в обход V комплекса, создающего АТФ, поэтому энергия ΔμН+ рассеивается, расходуясь на согревание. При этом на холоде человек дрожит, дополнительно идёт рефлекторное возбуждение терморецепторов. • При дрожании снижается содержание АТФ и увеличивается АДФ, которые регулируют активность цитратсинтазы, запускающей ЦТК. В ЦТК растёт концентрация НАДН и ФАДН 2, что повышает разность электрохимического потенциала, расходуемого на согревание. • Итог: человек согревается
Скачать презентацию Биологическое окисление тканевое дыхание лекции Т В ЖАВОРОНОК
Презентация лекции 5_БО_Мх и ОФ.ppt