Современные представления о биологическом окислении. Компоненты дыхательной цепи и их характеристика.

Биологическое окисление - процесс переноса электронов.

Биологическое окисление протекает: • при низкой температуре; • в присутствии воды; • без образования пламени.

В организме механизм образования СО₂ – декарбоксилирование.

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.

Биологическое окисление: • Процесс транспорта электронов; • Процесс многоступенчатый; • Процесс полиферментативный; • Конечный продукт тканевого дыхания – Н₂О; • Энергия выделяется постепенно.

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

Биологическое окисление начинается с дегидрирования.

Этап осуществляется с помощью: НАД – зависимые дегидрогеназы; ФАД – зависимые дегидрогеназы. Это первичные акцепторы водорода.

В НАД рабочей частью является витамин РР - НИКОТИНАМИД.

-2ē -2Н+

+2ē +2Н+

НАДН (НАДФН) + Н+ Восстановленная форма

НАД+ (НАДФ+) окисленная форма Окисленная форма

 

НАД⁺ + 2Н⁺ + 2е НАДН + Н⁺

В ФАД и ФМН рабочей частью является флавин (изоаллоксазин) – компонент В2.

-2ē -2Н+

+2ē +2Н+

ФАД⁺ + 2Н + 2е ФАДН₂

Компоненты дыхательной цепи: в основном сложные белки, локализованные во внутренней мембране митохондрий и объединенные в комплексы.

Комплекс ферментов переноса электронов и протонов от субстрата к кислороду называется электронтранспортная цепь (ЭТЦ), или цепь переноса электронов (ЦПЭ), или дыхательная цепь (ДЦ).

Компоненты дыхательной цепи: • в основном сложные белки, локализованные во внутренней мембране митохондрий и объединенные в комплексы; • комплекс I (НАДН-дегидрогеназа); • комплекс II (СДГ); • убихинон (кофермент Q); • комплекс III (цитохромы b, с1); • цитохром с; • комплекс IV (цитохромы а, а3 – цитохромоксидаза).

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа): • флавинзависимый фермент (кофермент ФМН); • субстрат – кофермент НАДН₂; • содержит железо-серные белки; • донор протонов и электронов для убихинона.

Комплекс II (СДГ): • флавинзависимый фермент (кофермент ФАД); • донор протонов и электронов для убихинона.

Убихинон (кофермент Q): • Quinone – хинон; • Ubiquitos – вездесущий; • производное бензохинона с боковой цепью из 10 звеньев изопрена (коэнзим Q10); • небелковый компонент ДЦ; • подвижный компонент; • акцептор протонов и электронов от флавинзависимых дегидрогеназ; • донор электронов для комплекса III; • переносит протоны в межмембранное пространство митохондрий.

+е

• цитохромы – сложные белки, небелковая часть – гем; • каждый цитохром транспортирует только 1 электрон; • главную роль в транспорте играет железо, способное обратимо менять валентность.

-е

Fe³⁺ Fe²⁺

Комплекс III (коэнзим Q – дегидрогеназа): • в составе цитохромы b, с1; • акцептор электронов от коэнзима Q; • донор электронов для цитохрома с.

Цитохром с: • не объединяется в комплекс; • акцептор электронов от комплекса III; • донор электронов для комплекса IV.

Комплекс IV (цитохромоксидаза): • содержит цитохромы а, а3,способные взаимодействовать с кислородом, ионы меди; • акцептор электронов от комплекса III; • донор электронов для кислорода.

Полная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с НАД. Укороченная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с ФАД. Порядок компонентов дыхательной цепи обусловлен величиной их red-ox потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал: -выражается в вольтах;- чем отрицательнее E0´, тем меньше сродство к электронам;- связан с изменением свободной энергии системы *E0´ - табличная величина;- в дыхательной цепи E0´ изменяется от -0,32В до +0,81В; - -0,32 характерно для НАД⁺ + 2H⁺ + 2ē → НАДН₂ (НАД⁺ /НАДН₂); - +0,81 характерно для ½ О₂ + 2H⁺ + 2ē → H₂О (О₂ /О^2-).

19. Пути синтеза АТФ в клетках, клеточная локализация процессов синтеза АТФ, примеры реакций. Молекулярные механизмы окислительного фосфорилирования (теория Митчелла).

Окислительное фосфорилирование - процесс образования АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счёт энергии переноса электронов в дыхательной цепи.

Субстратное фосфорилирование - это процесс образования АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счёт энергии распада какого-либо субстрата.

В основной дыхательной цепи выделяются 3 пункта, где может образоваться АТФ: 1.) НАД KоQ; •НАДН₂ — 3 АТФ 2.) ЦИТ.b ЦИТ.с •ФАДН₂ — 2 АТФ З.) ЦИТ.а ЦИТ.а3

Теория окислительного фосфорилирования (Питер Митчелл, 1961). Основные положения теории: 1.) Мембрана митохондрий в норме не проницаема для протонов. 2.) В процессе транспорта электронов протоны «перекачиваются» в межмембранное пространство - образуется электрохимический потенциал. 3.) Обратный транспорт протонов в матрикс митохондрий сопряжен с синтезом АТФ.

Процесс транспорта электронов происходит во внутренней мембране, где расположены ферменты ЦПЭ. Реакции окисления субстратов происходят в матриксе митохондрий. Протоны переносятся в межмембранное пространство, а электроны продвигаются по дыхательной цепи.

Тканевое дыхание. Дегидрирование без пламени и взрыва собразованием эндогенной воды при участииоксидаз(оксидазный путь окисления):• процесс транспорта электронов и протонов;• происходит в митохондриях;• конечным акцептором является кислород;• конечный продукт тканевого дыхания – Н₂О;• энергия выделяется постепенно;• процесс многоступенчатый;• процесс полиферментативный.

Тканевое дыхание многоступенчатый процесс транспорта электронов. И протонов от субстрата на кислород с образованием эндогенной воды, осуществляемый комплексом ферментов, сопряженный с постепенным выделением энергии.

Во время тканевого дыхания создаётся электрохимический потенциал: • концентрационный (протонный); • разности потенциалов (электрический). При этом наружная сторона внутренней мембраны заряжается «+», а внутренняя «-». Т.е. создается градиент концентрации протонов; • электрический и концентрационный потенциал составляют протондвижущую силу, которая перемещает протоны обратно в матрикс митохондрий; • через протонные каналы, образованные ферментом - АТФ-синтазой. АДФ + Н₃РО₄ → АТФ Протоны проходят обратно в матрикс, при этом активность АТФ-синтазы повышается. Образуется АТФ.

АТФ-синтаза: • интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. • гидрофобная часть F₀ пронизывает мембрану и образует канал, по которому протоны переносятся обратно в матрикс. • каталитическая часть F₁ выступает в матрикс, соединяется с F₀ при помощи γ-субъединицы, образующей вращающийся за счет изменения конформации стержень.

• электрохимический потенциал заставляет двигаться протоны по каналу АТФ-синтазы обратно в матрикс и параллельно происходят конформационные изменения в F1. • в результате из АДФ и Фн образуется АТФ. • для синтеза 1АТФ используется электрохимический потенциал, генерируемый при перепаде напряжения в одном из пунктов сопряжения (перекачка 4H⁺).

Модель синтеза АТФ: - протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, протонирует аминокислоту ротора, на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. - протонированная аминокислота на роторе перемещается к следующей половинке канала, ведущей внутрь митохондрии, протон попадает во второй полуканал и матрикс, аминокислота освобождается от положительного заряда. - заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование – депротонирование приводит к повороту белка.

В соответствии с хемоосмотической теорией Митчелла окисление НАДH + H⁺ и ФАДН₂ в дыхательной цепи создаёт сначала электрохимический протонный потенциал, градиент концентрации ионов на внутренней мембране, а обратный транспорт протонов через мембрану сопряжен с фосфорилированием АДФ, т.е. образованием АТФ.

Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О): отношение количества фосфорной кислоты (Р),использованной на фосфорилирование АДФ, к атомукислорода (О), поглощённого в процессе дыхания.для НАДН⁺ + Н⁺ Р/О = 3,для ФАДН₂ Р/О = 2.

Дыхательный контроль - зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ. АТФ/(АДФ+АМФ)

Условия образования АТФ: 1.) Целостность мембраны - непроницаемость её для протонов. 2.) Наличие специальных каналов. 3.) Движение протонов в матрикс сопровождается выделением энергии, используемой для синтеза АТФ.

В обычных условиях процессы окисления и фосфорилирования сопряжены и сопровождаются синтезом АТФ. Разобщение окислительного фосфорилирования (свободное окисление) - окисление идёт, а фосфорилирования нет, вся энергия выделяется в виде тепла.

Причиной разобщения окислительного фосфорилирования могут стать: - нарушение целостности /функции мембран митохондрий;- протонофоры, ионофоры (липофильныевещества): 2,4–динитрофенол, билирубин, тироксин, высшие жирные кислоты.

Пути использования кислорода в организме (альтернативный путь окисления):

Оксидазный 90% О2 О2 + 4ē + 4Н+→2Н2О в митохондриях сопровождается синтезом АТФ   синезом АТФ

Оксигеназный 9% О2 Не сопровождается синтезом АТФ

Свободнорадикальный 1% О2 Неферментативно Не сопровождается синтезом АТФ   синтезом АТФ

Оксигеназный путь

Монооксигеназный

Диоксигеназный

+Н

S-Н +O2 S-OOH

S-Н + O2 + Н S-OH + H2O

НАДФН

Стадии: 1.) Связывание кислорода с активным центром фермента. 2.) Восстановление кислорода и перенос его на субстрат. Биологическое значение: 1.) Обезвреживание чужеродных и эндогенных токсических веществ; 2.) Синтез гормонов и других биологически активных соединений; 3.) Метаболизм лекарств.

бензол

(цит.Р450)

гидроксилаза

+ НАДФ+ + Н2О

фенол

+ О2 + НАДФН2