Главная цепь дыхательных ферментов

Запись 67

Принцип работы цикла Кребса осуществляется с помощью термодинамических и кинетических механизмов контроля

Термодинамические механизмы контролируют направление потока метаболита, а кинетические отвечают за регуляцию интенсивности потока метаболита по циклу

Термодинамический контроль осуществляется на уровне 2-х необратимых р-ий данного цикла,

Пусковой р-ей цикла является р-ия синтез цитрата, который происходит из ацетил КоА и оксалацетата

Цитратсинтазная р-ия сопровождается большой потерей энергии - порядка -32 кДж/моль –  это 7,7 ккал/моль

Большой потерей энергии сопровождается также окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата. Продукты – сукцинилКоА. DG0 (потеря свободной энергии системы) = 34 кДж/моль = 8 ккал/моль

В условиях к-ки вторая р-ия абсолютно необратима (у первой есть обходной путь)

Таким образом, за счет включения в систему р-ии2 р-ии необратимых в условиях матрикса митохондрий движение метаболита в системе возможно только в одном направлении, т.е. в направлении окисления ацетильных ___

Что касается в регуляции интенсивности потока метаболитов, то данная р-ия выглядит очень сложно

Энергетический заряд к-ки

 

Если к-ка хорошо обеспечена энергией, то большая часть адениновых нуклеотидов находится в виде АТФ,  и величина энергетического заряда приближается к 1

Если к-ка потратила большую часть энергии, то значение энергетического потенциала снижается ниже 0,5. В ней нарастает концентрация АДФ или АМФ

Высокая концентрация АТФ в к-ке – это признак ее высокой обеспеченности энергией.Высокая концентрация АДФ и АМФ - признак нехватки энергии в к-ке

При высокой концентрации АТФ работа цикла Кребса должна тормозиться (энергии в к-ке достаточно, и несомненно целесообразно приберечь энергетическое топливо). А стимулируется при повышении в ней концентрации АДФ и АМФ

Аналогичную роль играет соотнощение в к-ке восстановленного НАДН+Н⁺ и НАД окисленного

Если в к-ке высокая концентрации восстановленного НАД, это говорит о хорошем обеспечении энергией к-ки. И наоборот повышение концентрации окисленного НАД свидетельствует о том, что к-ка нуждается в энергии

Кинетический контроль осуществляется:

1. За счет изменения концентрации субстрата (взаимодействие оксалацетата с ацетил КоА)

2. Изменение активности регуляторных ферментов цикла

a. Цитратсинтетаза

b. Изоцитратдегидрогеназа

c. 2-оксоглутарат-дегидрогеназный комплекс

d. Сукцинатдегидрогеназа

Скорость потока метаболита регулируется на уровне первой р-ии (на уровне цитратсинтазной р-ии)

Активность цитратсинтазы ингибируется по аллостерическому механизму – высокими концентрациями НАДН+Н, АТФ, Сукцинил-КоА, Цитрат

Активация происходит аза счет АДФ

2-е регуляторное звено – изоцитратдегидрогеназная р-ия

Высокие концентрации НДН+Н и АТФ ингибируют активность данного фермента

Если в к-ке повышается концентрация АДФ, Изоцетрата и Са²⁺ происходит повышение активности данного фермента

3-ий пункт - Регуляция активности 2-оксоглутарат-дегидрогеназного комплекса\

Механизмы: аллостерическая модуляция и ковалентная модификация

При высокой концентрации АТФ в к-ке происходит фосфорилирование комплекса, активность фермента снижается

Причем фосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму восстановленным НАД, а также сукцинилКо-а

Дефосфорилирование комплекса, т.е. перевод его в активную форму, аллостерически стимулируется повышенными концентрациями АМФ

4-ый регуляторный фермент – Сукцинатдегидрогеназа

Механизм: конкурентное ингибирование метаболитами, которые образуются в том же метаболическом пути, малат (яблочная к0та), оксалоацетат

 

 

В целом, при повышении концентрации АТФ и восстановленного НАД интенсивность потока метаболитов в цикле Кребса  падает, а накопление АДФ и АМФ стимулирует работу цикла Кребса в к-ке

_____________ выполняет не только энергетическую ф-ю (главную)

Ряд промежуточный метаболитов (продуктов) цикла используется как пластический материал для биосинтеза тез соединений, которые необходимы к-ке – пластическая ф-я цикла Кребса

Н-р, из сукцинилКоа синтезируется гем, который входит в состав гемоглобина, миоглобина и других гем-содержащих ферментов

Из α-кетоглутарата синтезируется глутамат и глутамин, причем обе эти АК-ы в последующем используются при синтезе нуклеотидов

В целом цикл Кребса  является не только метаболическим путем, в котором происходит окончательная деградация??  различных соединений до СО2, он одновременно является источником пластического материала для синтеза разнообразных соединений, необходимых к-ке, в этом состоит 3-я ф-я цикла Кребса – интегрирующая

Цикл Кребса связывает в единую систему обмен соединений различных классов (процессы катаболизма и анаболизма)

Микросомальное окисление

В к-ках идут окислительные процессы, связанные с присоединением О2 к окисляемому субстрату – процессы оксигенирования

Данные процессы не сопровождаются аккумуляцией энергии – вся свободная выделяющаяся энергия превращается в тепловую

Вся совокупность окислительных процессов этого типа получило название свободное окисление

Процессы оксигенирования идут в различных мембранах (сопрягающие – внутренние мембраны митохондрий, несопрягающие – идут эти процессы – мембраны ЭПС, митохондорий и др)

Основное кол-во р-ий оксигенирования происходит в мембранах ЭПС, поэтому эти процессы называют м икросомальное окисление

Ферменты класса оксигеназ:

1. Монооксигеназы (гидроксилазы)

2. Диоксигеназы

3. Цитохромы (Цит b₅ и Цит Р₄₅₀)

Функции ферментов:

1. Расщепление метаболитов (триптофан, тирозин).

2. Синтез соединений (стероидов, ЖК, гидроксиоксипролин, гидроксилизин).

3. Детоксикация ядовитых веществ – биотрансформация (ксенобиотиков, поступающих из внешней среды, а иногда ядовитых в-в, которые образуются в ходе катаболизма в организме человека, а так же инактивация биологически активных соединений)

Диоксигеназные реакции

1. Расщепление триптофана – р-я катаболизма

 

2. Расщепление гомогентизиновой кислоты

3. Разрыв С-С связей в ациклических соединениях

 

 

Запись 67

Принцип работы цикла Кребса осуществляется с помощью термодинамических и кинетических механизмов контроля

Термодинамические механизмы контролируют направление потока метаболита, а кинетические отвечают за регуляцию интенсивности потока метаболита по циклу

Термодинамический контроль осуществляется на уровне 2-х необратимых р-ий данного цикла,

Пусковой р-ей цикла является р-ия синтез цитрата, который происходит из ацетил КоА и оксалацетата

Цитратсинтазная р-ия сопровождается большой потерей энергии - порядка -32 кДж/моль –  это 7,7 ккал/моль

Большой потерей энергии сопровождается также окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата. Продукты – сукцинилКоА. DG0 (потеря свободной энергии системы) = 34 кДж/моль = 8 ккал/моль

В условиях к-ки вторая р-ия абсолютно необратима (у первой есть обходной путь)

Таким образом, за счет включения в систему р-ии2 р-ии необратимых в условиях матрикса митохондрий движение метаболита в системе возможно только в одном направлении, т.е. в направлении окисления ацетильных ___

Что касается в регуляции интенсивности потока метаболитов, то данная р-ия выглядит очень сложно

Энергетический заряд к-ки

 

Если к-ка хорошо обеспечена энергией, то большая часть адениновых нуклеотидов находится в виде АТФ,  и величина энергетического заряда приближается к 1

Если к-ка потратила большую часть энергии, то значение энергетического потенциала снижается ниже 0,5. В ней нарастает концентрация АДФ или АМФ

Высокая концентрация АТФ в к-ке – это признак ее высокой обеспеченности энергией.Высокая концентрация АДФ и АМФ - признак нехватки энергии в к-ке

При высокой концентрации АТФ работа цикла Кребса должна тормозиться (энергии в к-ке достаточно, и несомненно целесообразно приберечь энергетическое топливо). А стимулируется при повышении в ней концентрации АДФ и АМФ

Аналогичную роль играет соотнощение в к-ке восстановленного НАДН+Н⁺ и НАД окисленного

Если в к-ке высокая концентрации восстановленного НАД, это говорит о хорошем обеспечении энергией к-ки. И наоборот повышение концентрации окисленного НАД свидетельствует о том, что к-ка нуждается в энергии

Кинетический контроль осуществляется:

1. За счет изменения концентрации субстрата (взаимодействие оксалацетата с ацетил КоА)

2. Изменение активности регуляторных ферментов цикла

a. Цитратсинтетаза

b. Изоцитратдегидрогеназа

c. 2-оксоглутарат-дегидрогеназный комплекс

d. Сукцинатдегидрогеназа

Скорость потока метаболита регулируется на уровне первой р-ии (на уровне цитратсинтазной р-ии)

Активность цитратсинтазы ингибируется по аллостерическому механизму – высокими концентрациями НАДН+Н, АТФ, Сукцинил-КоА, Цитрат

Активация происходит аза счет АДФ

2-е регуляторное звено – изоцитратдегидрогеназная р-ия

Высокие концентрации НДН+Н и АТФ ингибируют активность данного фермента

Если в к-ке повышается концентрация АДФ, Изоцетрата и Са²⁺ происходит повышение активности данного фермента

3-ий пункт - Регуляция активности 2-оксоглутарат-дегидрогеназного комплекса\

Механизмы: аллостерическая модуляция и ковалентная модификация

При высокой концентрации АТФ в к-ке происходит фосфорилирование комплекса, активность фермента снижается

Причем фосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму восстановленным НАД, а также сукцинилКо-а

Дефосфорилирование комплекса, т.е. перевод его в активную форму, аллостерически стимулируется повышенными концентрациями АМФ

4-ый регуляторный фермент – Сукцинатдегидрогеназа

Механизм: конкурентное ингибирование метаболитами, которые образуются в том же метаболическом пути, малат (яблочная к0та), оксалоацетат

 

 

В целом, при повышении концентрации АТФ и восстановленного НАД интенсивность потока метаболитов в цикле Кребса  падает, а накопление АДФ и АМФ стимулирует работу цикла Кребса в к-ке

_____________ выполняет не только энергетическую ф-ю (главную)

Ряд промежуточный метаболитов (продуктов) цикла используется как пластический материал для биосинтеза тез соединений, которые необходимы к-ке – пластическая ф-я цикла Кребса

Н-р, из сукцинилКоа синтезируется гем, который входит в состав гемоглобина, миоглобина и других гем-содержащих ферментов

Из α-кетоглутарата синтезируется глутамат и глутамин, причем обе эти АК-ы в последующем используются при синтезе нуклеотидов

В целом цикл Кребса  является не только метаболическим путем, в котором происходит окончательная деградация??  различных соединений до СО2, он одновременно является источником пластического материала для синтеза разнообразных соединений, необходимых к-ке, в этом состоит 3-я ф-я цикла Кребса – интегрирующая

Цикл Кребса связывает в единую систему обмен соединений различных классов (процессы катаболизма и анаболизма)

Главная цепь дыхательных ферментов

В ходе многочисленных р-ий дегидрирования, которые происходят во 2-й фазе катаболизма, а также в цикле Кребса образуются восстановленные коферменты НАД и ФАД

Р-ии дегидрирование катализируются многочисленными дегидрогеназами:

1. Пиридинзависимые (НАД)

2. Флавинзависимые (изоцитратдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа)

Общее кол-во дегидрогеназ составляет в к-ке несколько сотен, и наибольшее кол-во НАД-зависимых дегидрогеназ

___ коферментов в к-ках ограничен, поэтому восстановленные формы коферментов должны обязательно разряжаться, т.е. они должны передавать полученные атомы водорода на свой конечный акцептор – О2

Процесс разрядки (окисления) восстановленных НАД и ФАД выполняет метаболический пусть, получивший название главная дыхательная цепь митохондрий

Локализуется во внутренней мембране митохондрий

Она состоит из 3 дыхательных ферментов (3 сложных надмолекулярных белковых комплексов), которые катализируют последовательно р-ии переноса электронов и протонов с восстановленного НАД на О2

1-й надмолекулярный комплекс катализирует перенос 2-х электронов, а так же 2-х протонов на КоQ (убихинон)

После передачи на КоQ 2-х протонов и 2-х электронов т.е. 2-х атомов водорода, КоQ восстанавливается, т.е. превращается в Со Q Н₂

Состав надмолекулярного комплекса входит около 20 полипептидных цепей, большая часть которых связана с ФМН, часть из них представлена железосерными белками, содержащими железосерные центры (n*FeS на схеме)

Электроны и протоны с восстановленного НАДН2 первоначально переносятся на ФМН, ФМН имеет изолацезиновое??? Ядро, разрываются 2 двойные связи в витамине В2, и он способен присоединять 2 атома Н, т.е. образется восстановленный ФМН, далее электроны переносятся через железосерные центры на КоQ, после чего к КоQ присоединяются протоны с образованием восстановленной формы КоQ

3-й комплекс представлен несколькими белками: цитохром В, железосерный белок, содержащий железосерный центр, цитохром С1

В состав любого цитохрома входит обязательно диминовая группировка, с входящим в нее атомом железа (железо – химический элемент с переменной валентностью, который способен и принимать, и отдавать электроны, т.е. выполняет электронно-транспортную ф-ю)

Начиная с КоQН2, пути электронов и протонов расходятся, электроны с КоQН2 передаются по цепи цитохромов (причем одновременно по цепи передается по 1 электрону), а протоны с КоQН2 уходят в окружающую среду

4-й комплекс (цитохромС-оксидазный комплекс) – представлен не одним белком, а несколькими: цитохром А, цитозром А3, который кроме гема содержит так же ионы меди

Электрон при участии этого комплекса переносится с цитохрома С на О2

КоQ и цитохром С не входят в состав ни одного комплекса, НАД так же не входит в состав комплекса, он выполняет ф-ю коллектора электронов, причем он принимает электроны и протоны с большого кол-ва окисляемых в к-ке субстратов

Ф-ю коллектрора выполнят также КоQ и цитохром С

Окисление сукцината:

Первоначально электроны и протоны передаются на ФАД (суккцинатдегидрогеназа – ФАД-зависимый фермент), далее электроны с восстановленного ФАД переносятся на КоQ с помощью железосерного белка, затем к нему присоединяется протон, в последующем перенос электронов идет с участием 3-го и 4-го комплекса

В данном случае КоQ является коллектором электронов, которые снимаются с сукцината, с ацилКоА, или с фосфоглицеринового липида 

Для того чтобы молекула О2 превратилась в 2 иона О, на нее должно быть передано 4 электрона, принято считать, что по цепи переносчиков электронов последовательно переносятся 4 электрона с 2 молекул восстановленного НАД

До принятия всех 4 электронов, молекула О2 остается связанной в активном центре цитохрома А3. До принятия всех 4-х электронов молекула О2 остается связанной в активном центра цитохрома А3. После принятия 4 электронов 2 иона О связывают по 2 протона каждый, и образуется 2 молекулы Н2О

В цепи дыхательных ферментов используется основная масса поступающего в организм О2 (95%)

Мерой интенсивности процессов аэробного окисления в различных тканях служит кислородный коэффициент. Он выражается в микролитрах О2, поглощенного тканью за 1 час в пересчете на 1 миллиграмм сухого веса ткани

Для сердца = 5 мкл/час·мг

Печень = 17 мкл/час·мг

Пульпа зуба = 12 мкл/час·мг

Почки = 23 мкл/час·мг

Надпочечники = 10 мкл/час·мг

Процесс поглощения О2 тканями, сопровождается  одновременным образованием в них СО2 и Н2О,  получило название тканевое дыхание

Окислительное фосфорилирование как основной механизм аккумуляции энергии в к-ке

Электроны, а в след за ними и протоны движутся по дыхательной цепи от восстановленного НАД к О2

Что заставляет двигаться электроны по этим переносчикам?

Каждой паре соединений, которая состоит из восстановленной и окисленной формы одного и того же в-ва соответствует определенное значение окислительно-восстановительного потенциала – редокс-потенциала

Например, по НАД восстановленный и НАД окисленный редокс-потенциал составляет 0,32 вольт

 

Для кислородной пары редокс-потенциал составляет величину 0,82 В

Для КоQ восстановленного и окисленного +0,04

Данная разность редокс-потенциалов и заставляет двигаться электроны по цепи дыхательных ферментов от восстановленного НАД к О2

Движение электронов по градиенту редокс-потенциала сопровождается выделением энергии, причем кол-во выделяющейся энергии можно рассчитать с помощью формулы Нернста

 

DG – Изменение свободной энергии

 DЕ - значение разность редокс-потенциалов м/у окисляемым в-вом и окислителем, т.е электроно-донорной и электроно-акцеторной парой

Поскольку разность редокс-потенциалов для главной дыхательной цепи составляет 1,14 (DЕ = 0,82 – (-0,32) = 1,14 В)

Кол-во свободной энергии, которая выделяется при переброске 2-х электронов от восстановленного НАД на О2:

 

В стандартных условиях, для образования пирофосфитной связи АТФ требуется 7,3 ккал/моль, реально казалось бы, что этой энергии должно хватить для синтеза 7 молекул АТФ, но на самом деле это не так, т.к. потери очень большие, т.к. большая часть энергии теряется, рассеивается в виде тепла

Почему окисляемые субстраты в одних случаях передают электроны на НАД, а в других случаях на КоQ, или на цитохромС?

Все зависит от редокс-потенциала окисляемого субстрата

Если значение редокс-потенциала окисляемого субстрата ниже чем величина - 0,32, то  электроны и протоны с такого субстрата переносятся на НАД, это такие субстраты как изоитрат, глутамат, малат и др

Если значение редокс-потенциала выше чем -0,32, но ниже редокс-потенциала пары КоQ восстановленный окисленный 0,04 электроны с этого субстрата переносятся на КоQ, это не только сукцинт, ацилКоА, трифосфоглицерол

При значении редокс-потенциала окисляемого субстрата выше 0,04 электроны с него переносятся с него на цитохром С, единственный субстрат аскорбиновая к-та