«Энергетический обмен» Косенков Дмитрий Александрович Первый

«Энергетический обмен» Косенков Дмитрий Александрович Первый МГМУ им И. М. Сеченова Курс лекций кафедры биологической химии 11 сентября 2017 года

Метаболизм АТФ Анаболизм Катаболизм (совокупность процессов синтеза) распада) АДФ

Жиры Углеводы Белки Жирные Глицерол Глюкоза Аминокислоты Специфические кислоты пути катаболизма Пируват Источник Ацетил~Ко. А метаболитов Общий путь катаболизма Цикл Кребса Основной источник энергии

Переносчики H+: NADH FADH 2 АТФ

Чарльз Александер Мак. Мунн Дэвид Кейлин

Межмембранное пространство Внутренняя мембрана митохондрий Матрикс митохондрий

Fe+3 ↔ Fe+2 n. H+ Гидрохинон Убихинон Убихинол QH c Fe. S QH 2 a Fe. S I b 1 III IV V Q a 3 Cu+2 FMNH 2 FADH 2 b 2 c 1 II FMN FAD Cu+ Фумарат ½O 2 H 2 O АДФ АТФ Сукцинат + NADH NAD + 2 H+ H 3 PO 4 I – NADH-дегидрогеназа II – Сукцинатдегидрогеназа III – Убихинолдегидрогеназа n. H+ Оксалоацетат Малат IV – Цитохромоксидаза V – АТФ-синтаза

n. H+ АТФ/ АДФ- транс- локаза I III IV FADH 2 II FAD NADH Сукцинат ½O 2 H 2 O АДФ АТФ Доноры электронов: NADH и условно FADH 2 АТФ АДФ Конечный акцептор электронов: атом кислорода ½O 2 Тратится O 2, происходит тканевое дыхание, поэтому ЦПЭ также называют Дыхательная цепь СОПРЯЖЕНИЕ ДЫХАНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ На цепи происходит Точки сопряжения дыхания и фосфорилирования – комплексы I, III и IV

n. H+ I III IV V FADH 2 II NADH 2 H+ + ½O 2 H 2 O АДФ АТФ + Способ синтеза АТФ в ЦПЭ: ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ H 3 PO 4 (Pi) ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ Коэффициент окислительного фосфорилирования (P/O) – отношение числа фосфатов, пошедших на синтез АТФ, к числу атомов кислорода, пошедших на синтез воды, при переносе электронов от одного донора Для NADH = 3/1 = 3 Для FADH 2 = 2/1 = 2

n. H+ АТФ/ АДФ- транс- локаза I III IV V II FAD NADH Сукцинат ½O 2 H 2 O АДФ АТФ - Доступность доноров электронов=переносчиков H + АТФ - Доступность кислорода - Соотношение АТФ/АДФ в клетке, в основном в цитозоле (когда АТФ много – работа ЦПЭ останавливается) АДФ Таким образом, работа ЦПЭ зависит от метаболической активности клетки

Барбитураты CO, H 2 S, (амитал), цианиды Ротенон Малонат Антимицин А (KCN) Олигомицин I III IV II Ингибиторы ЦПЭ – останавливают перенос электронов по цепи В результате действия ингибиторов ЦПЭ: - останавливается перенос электронов - останавливаются процессы окисления в клетках (накапливаются переносчики водорода: NADH, FADH 2) - останавливается потребление кислорода - прекращается синтез АТФ

R-COO- R-COOH I III IV II - R-COOH К разобщителям относятся: краситель 2, 4 -динитрофенол, жирные кислоты, билирубин, тироксин, антикоагулянт дикумарол… В результате разобщения дыхания и фосфорилирования: - не прекращается перенос электронов; - не останавливаются процессы окисления в клетках; - не останавливается потребление кислорода; - СНИЖАЕТСЯ синтез АТФ

COOH O C=O + HSKo. A + NAD+ CH 3 C ~ SKo. A + NADH + CO 2 CH 3 Ацетил-Ко. А Пируват NAD+ NADH CH 3 E 3 -FADH 2 Дигидролипоил- CH-OH дегидрогеназа E 2 E 3 -FAD CO 2 E 1 ЛК (ТДФ) E 2 S S Пируват- Дигидролипоил- ЛК декарбоксилаза ацетилтрансфераза HS SH COOH E 2 C=O CH 3 E 1 O ЛК O Пируват H CH 3 -C-S SH CH 3 C ~ SKo. A (ТДФ) HSKo. A Ацетил-Ко. А

5 ферментов, 5 коферментов, превращение проходит в 5 этапов Ферменты ПДК: - пируватдекарбоксилаза; - дигидролипоилацетилтрансфераза; - дигидролипоилдегидрогеназа; - киназа; - фосфатаза Коферменты ПДК: - тиаминдифосфат (ТДФ); - липоевая кислота (ЛК); - кофермент А (HSKo. A); - никотинамидадениндинуклеотид (NAD+); - флавинадениндинуклеотид (FAD)

Фосфорилирование-дефосфорилирование (активна дефосфорилированная форма) Аллостерическая регуляция Для киназы ПДК: (активаторы – ацетил-Ко. А, NADH, АТФ) (ингибиторы – пируват, АДФ, кофермент А) Для фосфатазы ПДК: (активаторы – ионы Ca 2+) Для ПДК в целом: (активаторы – пируват, АДФ, кофермент А, NAD+, Ca 2+) (ингибиторы – ацетил-Ко. А, NADH, АТФ) Индукция синтеза фосфатазы (вызывается инсулином)

1 молекула NADH, которая в ЦПЭ приводит к образованию 3 молекул АТФ

Альберт Сент-Дьёрди Ганс Адольф Кребс

O CH 3 C ~ SKo. A OH O Ацетил-Ко. А CH 2 COOH HO CH COOH NAD+ CH COOH NADH C COOH HO C COOH CH COOH CH 2 Малат- COOH дегидрогеназа COOH HSKo. A COOH Аконитаза COOH Малат Оксалоацетат Цитрат- Цитрат Изоцитрат синтаза NAD+ Изоцитрат- Фумараза дегидрогеназа NADH CO 2 H 2 O Сукцинат- NAD+ O C COOH тиокиназа ГДФ NADH Сукцинат- CH 2 дегидрогеназа + O C ~ SKo. A ГТФ H 3 PO 4 CH 2 CH COOH CH 2 COOH CH 2 HSKo. A CO 2 COOH CH CH 2 Альфа-кетоглутарат COOH Альфа-кетоглутарат- FADH 2 FAD HSKo. A COOH Фумарат Сукцинил-Ко. А дегидрогеназный комплекс

В клетке существует 2 способа синтеза молекулы АТФ: - окислительное фосфорилирование (в ЦПЭ за счет энергии электрона) - субстратное фосфорилирование (в метаболических реакциях за счет энергии в субстратах реакции) Малат- Сукцинат- дегидрогеназа O тиокиназа OH O C ~ SKo. A CH COOH C COOH HSKo. A CH COOH CH 2 CH 2 CH 2 COOH NAD+ COOH H 3 PO 4 COOH NADH Малат Оксалоацетат Сукцинил-Ко. А + ГДФ ГТФ Сукцинат АТФ (в ЦПЭ) АТФ АДФ Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

Анаплеротические ( «восполняющие» ) реакции – реакции клеточного метаболизма, повышающие концентрацию субстратов метаболического пути, образуя их в других метаболических путях Концентрация каждого метаболита общего пути катаболизма может восполняться из других метаболических путей

Регуляторные ферменты процесса: 1. Цитратсинтаза: Аллостерическая регуляция (активатор – оксалоацетат) (ингибиторы – цитрат, NADH, АТФ, сукцинил- Ко. А) 2. Изоцитратдегидрогеназа: Аллостерическая регуляция (активаторы – АДФ, ионы Ca 2+) (ингибиторы – NADH) 3. Альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс: Аллостерическая регуляция (активаторы – ионы Ca ) 2+ (ингибиторы – NADH, АТФ, сукцинил-Ко. А)

Энергетический выход цикла Кребса: 3 молекулы NADH => 9 молекул АТФ 1 молекула FADH 2 => 2 молекулы АТФ 1 молекула АТФ Итого: 12 молекул АТФ Энергетический выход ПДК: 3 молекулы АТФ Энергетический выход общего пути катаболизма (из пирувата): 15 молекул АТФ

Таким образом, энергия, выделяющаяся в ходе катаболизма органических веществ в организме, не сразу используется клеткой, но запасается в виде молекулы АТФ, а также других высокоэнергетических соединений…

Тема следующей лекции: «Обмен углеводов» Продолжение следует…

Благодарю за внимание!