ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра биологической химии БИОЛОГИЧЕСКОЕ

ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра биологической химии БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

ПЛАН: 1. Исторические представления о биологическом окислении; 2. Современные представления о биологическом окислении; 3. Первичные акцепторы протонов и электронов; 4. Цепь переноса электронов.

-1 Исторические представления о биологическом окислении Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. 1) XVIII век – начало изучения процессов окисления в живом организме. Имя Лавуазье внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни Антуа н Лора н Лавуазье 1743 -1794

1) XVIII век – начало изучения процессов окисления в живом организме (Лавуазье). Биологическое окисление – медленное горение. С химической точки зрения, горение - это взаимодействие углерода с кислородом, приводящее к образованию углекислого газа. В организме механизм образования СО 2 декарбоксилирование Отличия биологического окисления от горения: протекает при низкой температуре; без появления пламени; в присутствии воды.

2) Теория активации кислорода (автор - А. Н. Бах) Александр Николаевич Бах 1857 -1946 биохимик и физиолог растений Институт биохимии имени А. Н. Баха РАН, 1945 год (Москва)

2) Теория активации кислорода = теория перекисного окисления а) О = О → –О–О– б) –О–О– + A оксигеназа О А О перекись О в) А +В О пероксидаза АО + ВО

3) Теория активации водорода (автор – В. И. Палладин) Владимир Иванович Палладин 1859 -1922 ботаник и биохимик Н а) S Н дегирогеназа кофермент S Кофермент*Н 2 б) Кофермент*Н 2 + 1/2 О 2 → Кофермент + Н 2 О

-2 Современные представления о биологическом окислении Биологическое окисление - процесс переноса электронов от субстрата-донора на субстрат-акцептор. Если акцептором электронов является кислород, то такой процесс называется ТКАНЕВЫМ ДЫХАНИЕМ Если акцептором электронов является другое вещество, кроме кислорода, то такой процесс называется АНАЭРОБНЫМ ОКИСЛЕНИЕМ

Н 1) S Н дегирогеназа кофермент S Кофермент*Н 2 2) Кофермент*Н 2 + 1/2 О 2 → Кофермент + Н 2 О (конечный продукт) Е↑ Синтез АТФ Теплота

Особенности биологического окисления: 1). Процесс транспорта электронов является многоступенчатым процессом, который сопровождается постепенным выделением энергии. 2). Полиферментативный процесс. 3) Конечный продукт – вода.

Биологическое окисление многоступенчатый процесс транспорта электронов (на начальных этапах и протонов) осуществляемый комплексом ферментов, сопряженный с образованием энергии

Цепь переносчиков протонов и электронов локализована во внутренней мембране митохондрий и называется ЭТЦ = ЦПЭ = дыхательная цепь. Строение митохондрии

-3 Первичные акцепторы протонов и электронов Первичными акцепторами протонов и электронов являются НАД-зависимые дегидрогеназы и ФАД-зависимые дегидрогеназы.

■ НАД-зависимые дегидрогеназы СООН | СН 2 | малатдегидрогеназа НО−СН НАД (РР) →НАДН | Дыхательная цепь СООН + /О + 2 1 Яблочная кислота (малат) 2 2 3 АТФ + Н 2 О СООН | СН 2 | С=О | СООН ЩУК (оксалоацетат)

НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД

рабочей частью НАД является витамин РР НИКОТИНАМИД

H │ H H CONH 2 +2 H+, 2 е- +H+ -2 H+, 2 е. C N+ │ R НАД+ N │ R НАДН+Н+ НАД+ +2 H+ + 2 е- → HАДН+Н+

■ ФАД-зависимые дегидрогеназы Дегидрирование сукцината СООН | СН 2 | СООН сукцинатдегидрогеназа Янтарная кислота (сукцинат) ФАД (В 2) → ФАДН 2 Дыхательная цепь + 1/2 О 2 2 АТФ + Н 2 О СООН | СН | СООН Фумаровая кислота (фумарат)

ФЛАВИНАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД

рабочей частью ФАД и ФМН является ФЛАВИН

СН 3 ФАД +2 H+ + 2 е- → ФАДН 2

Далее НАДН 2 и ФАДН 2 отдают протоны и электроны в митохондриальную ЦПЭ.

-4 Цепь переноса электронов Компоненты ЭТЦ - Это сложные образования, состоящие из нескольких ферментов, локализованных во внутренней мембране митохондрий и объединенных в комплексы

КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ: Комплекс I (ФМН-зависимая НАДН-дегидрогеназа) Убихинон (коэнзим Q) Комплекс III (цитохромы b, с1) Цитохром с Комплекс IV (цитохромы а, а 3 – цитохромоксидаза) Комплекс II (СДГ)

КОМПЛЕКС I (НАДН-ДЕГИДРОГЕНАЗА) Флавинзависимый фермент (кофермент ФМН) Субстрат – кофермент НАДН 2 Содержит железосерные белки Донор протонов и электронов для убихинона НАДН-дегидрогеназа HАДН+Н+ ФМН (В 2) → ФМНН 2 HАД+

УБИХИНОН (КОФЕРМЕНТ Q) Quinone – хинон Ubiquitos – вездесущий У млекопитающих содержит 10 звеньев изопрена (коэнзим Q 10)

УБИХИНОН (КОФЕРМЕНТ Q) +2 H+, 2 е-

УБИХИНОН (КОФЕРМЕНТ Q) Небелковый компонент ДЦ Подвижный компонент Акцептор протонов и электронов от флавинзависимых дегидрогеназ Донор электронов для комплекса III Переносит протоны в межмембранное пространство митохондрий

СИСТЕМА ЦИТОХРОМОВ Цитохромы – сложные белки, небелковая часть – гем Отличаются между собой строением полипептидных цепей В зависимости от светопоглощающей способности в определенной части спектра делятся на группы а, b и с. Каждый цитохром транспортирует только 1 электрон Главную роль в транспорте играет железо Fe 3+ + e- e- Fe 2+

КОМПЛЕКС III (QН 2 – ДЕГИДРОГЕНАЗА) В составе цитохромы b, с1 Транспортирует только электроны от убихинона на цитохром с.

КОМПЛЕКС III (QН 2 – ДЕГИДРОГЕНАЗА) В составе цитохромы b, с1 Транспортирует только электроны от убихинона на цитохром с. ЦИТОХРОМ С • Не объединяется в комплекс • Транспортирует электроны от III комплекса к IV комплексу.

КОМПЛЕКС IV (ЦИТОХРОМОКСИДАЗА) Содержит цитохромы а, а 3 Кроме железа содержит в своем составе медь Сu 2+ Взаимодействует + e- e- Cu+ с кислородом.

КОМПЛЕКС II (СДГ) Флавинзависимый фермент (кофермент ФАД) Донор протонов и электронов для убихинона

Порядок компонентов дыхательной цепи обусловлен величиной их red-ox потенциалов. Он изменяется от -0, 32 В до +0, 81 В -0, 32 характерно для НАДН 2 +0, 81 характерно для О 2. Все компоненты ЭТЦ расположены в порядке возрастания редокс-потенциала. Самый высокий редокс-потенциал у кислорода, что обеспечивает последовательную передачу электронов от субстрата на кислород.

СХЕМА ПОЛНОЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Полная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с НАД.

СХЕМА УКОРОЧЕННОЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Укороченная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с ФАД

АТФ – основной донор энергии в живых клетках

Процесс образования АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счёт энергии переноса электронов в дыхательной цепи называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ это процесс образования АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счёт энергии макроэргической связи субстрата

Окисление и фосфорилирование не всегда сопрягаются. Если процесс окисления сопровождается синтезов АТФ – это явление наз. СОПРЯЖЕНИЕМ ДЫХАНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ.

В дыхательной цепи выделяются 3 пункта сопряжения (где может образоваться АТФ): 1. НАД Kо. Q 2. цитохром b цитохром с 3. цитохром а 3 НАДН 2 — 3 АТФ (~2, 5) ФАДН 2 — 2 АТФ (~1, 5)

КОЭФФИЦИЕНТ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ – количество молекул АТФ, образованных при восстановлении 1 атома кислорода до воды. Р =3 О (для полной дыхательной цепи) Р =2 О (для укороченной дыхательной цепи)