Завдання. 1.Окисно-відновні реакції

1.Окисно-відновні реакції. NADH-дегідрогеназний комплекс мітохондріального дихального ланцюга каталізує наведені нижче окисно-відновні реакції, де Fe³⁺ та Fe²⁺ - це атоми заліза залізо-сіркових центрів, Q-убіхінон, QН₂-убіхінол, Е- ензим:

(1) NADH + Н⁺ + Е-FMN → NAD⁺ + Е- FMNН₂

(2) Е- FMNН₂ + 2Fe³⁺ → Е- FMN + 2Fe²⁺ + 2Н⁺

(3) 2Fe²⁺ + 2Н⁺ + Q → 2Fe³⁺ + QН₂

Сумарна реакція: NADH + Н⁺ + Q → NAD⁺ + QН₂

Для кожної з трьох реакцій, каталізованих NADH-дегідрогеназним комплексом, вкажіть, що є (а) донором електронів, (б) акцептором електронів, (в) спряженою окисно-відновною парою, (г) відновником, (ґ) окисником.

2. Функції різних складових убіхінону. Під час перенесення електронів через дихальний ланцюг у реакції окиснення-відновлення вступає лише хінонова складова убіхінону, тоді як ізопреноїдний бічний ланцюг не зазнає перетворень. Якою є функція цього ланцюга?

3. У реакції окиснення сукцината використовується FAD, а не NAD⁺. У гліколізі та у циклі лимонної кислоти усі дегідрогенази у ролі акцептора електронів використовують NAD⁺ (Е^’0 для NAD⁺/ NADН складає -0,32В), окрім сукцинатдегідрогенази, яка переносить електрони на ковалентно зв’язаний з нею FAD (Е^0 для FAD/FADН₂ у складі ензиму складає -0,050 В). Враховуючи величини значень Е ^0 для пар фумарат/сукцинат (Е ^0 = 0,031В), NAD⁺/ NADН та FAD/FADН₂ у складі сукцинатдегідрогенази, поясніть, чому у реакції дегідрогенізації сукцинату FAD є більш вигідним акцептором електронів, ніж NAD⁺.

4. Ступінь відновлення переносників електронів у дихальному ланцюзі. Ступінь відновлення кожного з переносників електронів у дихальному ланцюзі залежить від умов всередині мітохондрії. Наприклад, якщо NADН та О₂ наявні у достатній кількості, то ступінь відновлення переносників, який відповідає стаціонарному стану, знижується по мірі проходження електронів від субстрату до О₂. Якщо ж перенесення електронів заблокувати, тоді переносники, розташовані у дихальному ланцюзі перед заблокованим етапом, стають більш відновленими, а розташовані після цього етапу - більш окисненими (див. Рис. 19-6). Вкажіть, якою буде ступінь окиснення убіхінону, цитохромів b₁, c₁, c та а + а₃ за таких умов:

(а) достатньо NADН та О₂, але додано ціанід

(б) достатньо NADН, однак запас О₂ вичерпано

(в) достатньо О₂, однак запас NADН вичерпано

(г) достатньо NADН та О₂

5. Вплив ротенону та антиміцину А на перенесення електронів у мітохондріях. Ротенон, токсичний продукт рослинного походження, сильно пригнічує NADН-дегідрогеназу у мітохондріях комах та риб. Токсичний антибіотик антиміцин А сильно пригнічує окиснення убіхінону.

(а) Поясніть, чому ротенон є смертельною отрутою для деяких видів комах та риб.

(б) Поясніть, чому антиміцин діє як отрута.

(в) Припустимо, що ротенон та антиміцин з однаковою ефективністю блокують відповідні ділянки електронно-транспортного ланцюга. Поясніть, який з інгібіторів буде більш сильною отрутою.

6. Роз’єднувачі окисного фосфорилювання. Швидкість перенесення електронів у мітохондріях за нормальних умов тісно спряжена з потребою в АТР. Тому, якщо швидкість використання АТР є порівняно низькою, то і швидкість перенесення електронів також буде низькою і, відповідно, коли потреба у АТР зростає, швидкість перенесення електронів також зростає. За умови такого тісного спряження відношення Р/О, тобто кількість молекул АТР, що утворюються у розрахунку на один атом спожитого кисню у випадку, коли донором електронів є NADH, дорівнює приблизно 2,5.

(а) Яким буде вплив роз’єднувача у відносно низькій та у відносно високій концентрації на швидкість перенесення електронів та на відношення Р/О?

(б) У випадку потрапляння роз’єднувачів в організм спостерігаються сильне спітніння та підвищення температури тіла. Поясніть це явище на молекулярному рівні. Як змінюється відношення Р/О за наявності роз’єднувачів?

(в) Свого часу роз’єднувач 2,4-динітрофенол призначали як ліки для схуднення. Чи може цей агент, у принципі, слугувати засобом для схуднення? У теперішній час роз’єднувачі не призначають як ліки, оскільки після їх вживання було зафіксовано декілька смертельних випадків. Яким чином роз’єднувачі можуть спричинити смерть?

7. Вплив валіноміцину на окисне фосфорилювання. Додавання антибіотика валіноміцина до мітохондрій, що активно дихають, призводить до таких наслідків: вихід АТР падає, швидкість поглинання О₂ підвищується, вивільняється тепло, величина градієнта рН між двома сторонами внутрішньої мітохондріальної мембрани зростає. На вашу думку, валіноміцин діє як роз’єднувач, чи як інгібітор окисного фосфорилювання? Поясніть отримані в експерименті результати з врахуванням того, що антибіотик здатний переносити іони К⁺ через внутрішню мембрану мітохондрій.

8. Механізм дії дициклогексилкарбодііміда (ДЦКД). Якщо додати ДЦКД до суспезії мітохондрій, які активно дихають, і у яких дихання та фосфорилювання є тісно спряженими, то спостерігається різке зниження швидкості перенесення електронів (яку оцінюють за швидкістю поглинання кисню) та швидкості синтезу АТР. Якщо після цього до мітохондріального препарату додати 2,4-динітрофенол, швидкість поглинання О₂ повернеться до норми, проте синтез АТР так і залишиться пригніченим.

(а) На який етап перенесення електронів, або окисного фосфорилювання, впливає ДЦКД?

(б) Чому ДЦКД впливає на поглинання О₂ мітохондріями? Поясніть механізм дії 2,4-динітрофенола на препарат інгібованих мітохондрій.

(в) До якого з перерахованих інгібіторів найбільше подібний ДЦКД за механізмом дії: антиміцина А, ротенона, чи олігоміцина?

9. Компартменталізація ензимів циклу лимонної кислоти. Ізоцитратдегідрогеназа міститься лише у мітохондріях, тоді як малатдегідрогеназу виявлено і у цитозолі, і у мітохондріях. Яку роль виконує малатдегідрогеназа у цитозолі?

10. Малат-α-кетоглутаратна транспортна система. Транспортна система, що забезпечує перенесення малата та α-кетоглутарата через внутрішню мітохондріальну мембрану (див. Рис. 19-27), пригнічується n -бутилмалонатом. Припустимо, що n -бутилмалонат додали до суспензії аеробних клітин нирок, які як джерело енергії використовують виключно глюкозу. Яким, на вашу думку, буде вплив цього інгібітора на (а) гліколіз, (б) споживання кисню, (в) утворення лактату, (г) синтез АТР?

11. Утворення АТР контролюється внутрішньоклітинною концентрацією ADP. Хоча для синтезу АТР необхідні як ADP, так і Р_і, однак швидкість синтезу залежить переважно від концентрації ADP, а не Р_і. Чому?

12. Ефект Пастера. Якщо до суспензії анаеробних клітин, які споживають глюкозу з високою швидкістю, внести О₂, то по мірі його поглинання швидкість споживання глюкози різко знизиться, а накопичення лактату припиниться. Такий ефект, вперше описаний Луї Пастером у 1860-х роках, характерний для більшості клітин, здатних здійснювати як аеробний, так і анаеробний катаболізм глюкози.

(а) Чому після додавання О₂ накопичення лактату припиняється?

(б) Чому за наявності О₂ швидкість споживання глюкози знижується?

(в) Який механізм уповільнення споживання глюкози у разі переходу клітин до поглинання О₂? Дайте пояснення, виходячи із специфіки дії ензимів.

13. Мутанти дріжджів з порушеним диханням та утворення етанолу. Мутантні дріжджі з порушеним диханням (р;־ “дрібноклітинні”) отримують шляхом обробки мутагенними агентами клітин дикого типу. В утворених мутантів відсутня цитохромоксидаза, що значною мірою позначається на їхньому метаболізмі. Одним з вражаючих наслідків нестачі ензиму є відсутність ефекту Пастера - тобто, бродіння не пригнічується киснем (Див. задачу 12). Деякі промислові компанії дуже зацікавлені у використанні таких мутантів для зброджування деревини на етанол, який можна використовувати як джерело енергії. Поясніть, чому використання таких мутантів є більш вигідним для крупномасштабного виробництва етанолу, ніж використання дріжджів дикого типу. Чому за відсутності цитохромоксидази зникає ефект Пастера?

14. Скільки протонів міститься в одній мітохондрії? Перенесення електронів супроводжується виведенням протонів з мітохондріального матриксу у міжмембранний простір, внаслідок чого між двома сторонами внутрішньої мітохондріальної мембрани виникає градієнт рН (зовнішня сторона стає більш кислою, ніж внутрішня). Дифузія протонів назад у матрикс постачає рушійну силу для синтезу ATP ензимом ATP-синтазою. У мітохондріях, суспендованих у середовищі з рН 7,4, відбувається окисне фосфорилювання і рН матрикса при цьому досягає значення 7,7.

(а) Обчисліть [H⁺] у зовнішньому середовищі та у матриксі мітохондрій за цих умов.

(б) Яким є відношення [H⁺] ззовні до [H⁺] всередині мітохондрій? Розрахуйте енергетичну вартість такої різниці концентрацій. (Підказка: див. Рівн. 11-3, с.). (в) Обчисліть кількість протонів в окремій дихаючій мітохондрії клітин печінки, припускаючи, що внутрішній матрикс мітохондрії має форму сфери діаметром 1,5 мкм.

(г) Виходячи з отриманих даних, чи є градієнт рН достатнім джерелом енергії для синтезу АТР?

(ґ) Якщо одного лише градієнта рН недостатньо, вкажіть інше джерело енергії для синтезу АТР.

15. Швидкість обміну АТР у серцевому м’язі щура. За аеробних умов потреба в АТР у серцевому м’язі щура на 90% задовольняється за рахунок окисного фосфорилювання. Кожен грам тканини поглинає О₂ зі швидкістю 10 мкмоль/хв, використовуючи як джерело енергії глюкозу.

(а) Розрахуйте швидкість, з якою серцевий м’яз споживає глюкозу та синтезує АТР.

(б) Враховуючи, що стаціонарна концентрація АТР у серцевому м’язі дорівнює 5,0 мкмоль/г тканини, обчисліть час (у секундах), необхідний для повного оновлення клітинного пулу АТР. Чи узгоджується отриманий результат з потребою у точній регуляції продукування АТР? (Концентрацію АТР подано у мікромолях на грам м’язової тканини через те, що тканина містить значну кількість води).

16. Швидкість розщеплення АТР у літальному м’язі. У літальному м’язі мухи Lucilia sericata АТР синтезується виключно у процесі окисного фосфорилювання. Для того, щоб під час польоту підтримувати концентрацію АТР на рівні 7 мкмоль/г тканини літального м’яза, швидкість споживання кисню має дорівнювати 187 мл О₂/год на г ваги тіла мухи. Враховуючи, що на літальний м’яз припадає приблизно 20% від загальної ваги мухи, розрахуйте швидкість повного оновлення пулу АТР у м’язі. На який період часу вистачить запасів АТР за відсутності окисного фосфорилювання? Виходьте з того, що відновлювальні еквіваленти переносяться гліцерол-3-фосфатною човниковою системою, а споживання О₂ відбувається за 25⁰С та тиску 101,3 кПа (1атм).

17. Трансмембранне переміщення відновлювальних еквівалентів. За аеробних умов позамітохондріальний NADН повинен окиснюватись у мітохондріальному електронно-транспортному ланцюзі. Припустимо, що з гепатоцитів щура ви отримали препарат, який містить мітохондрії та усі цитозольні ензими. Якщо до такого препарата додати [4-³Н]NADН, радіоактивна мітка швидко виявиться у мітохондріальному матриксі. Однак, якщо до препарата додати [7-¹⁴C]NADН, мічення матриксу не відбудеться. На які особливості окиснення позамітохондріального NADН у електронно-транспортному ланцюзі вказують отримані результати?

Формули

18. Різні пули NAD та дегідрогеназна активність. Як піруватдегідрогеназа, так і гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа використовують NAD⁺ у ролі акцептора електронів, проте ці два ензими не конкурують за один і той самий клітинний пул NAD. Чому?

19. Фотохімічна ефективність світла різної довжини хвилі. Інтенсивність фотосинтезу, яку оцінюють за швидкістю утворення О₂, є вищою, якщо зелені рослини освітлювати світлом з довжиною хвилі не 700 нм, а 680 нм. Однак, якщо здійснювати комбіноване освітлення променями з довжинами хвиль 680 та 700 нм, швидкість фотосинтезу буде вищою, ніж у випадку освітлення променями лише однієї довжини хвиль. Поясніть цей результат.

20. Повний баланс фотосинтезу. 1804 р. Теодоре де Сассер встановив, що загальна вага кисню та утворюваної рослинами сухої органічної маси є більшою, ніж вага діоксиду вуглецю, поглиненого у ході фотосинтезу. Поясніть, звідки береться зайва вага.

21. Роль Н₂S у фотосинтезі деяких бактерій. Освітлені пурпурові сіркобактерії здатні здійснювати фотосинтез за наявності Н₂О та ¹⁴СО₂, але лише за умови, що у середовищі міститься Н₂S і відсутній О₂. У ході фотосинтезу, швидкість якого оцінювали за утворенням [¹⁴C]вуглеводів, Н₂S перетворювався на елементарну сірку без виділення О₂. Яку роль відіграє перетворення Н₂S на сірку? Чому при цьому не виділяється О₂?

22. Підвищення відновлювальної сили фотосистеми І внаслідок поглинання світла. Якщо фотосистема І поглинає червоне світло з довжиною хвилі 700 нм, то величина стандартного відновлювального потенціалу Р700 змінюється від 0.40 В до приблизно -1,2 В. Яка частина поглиненого світла уловлюється у формі відновлювальної сили?

23. Обмежений синтез ATP у темряві. У лабораторних експериментах хлоропласти шпинату інкубували на світлі у середовищі, що не містило ADP та P_i, після чого світло вимикали, а у середовище додавали вказані сполуки. За цих умов синтез ATP відбувався лише упродовж короткого проміжку часу. Поясніть цей результат.

24. Механізм дії гербіцида ДХМС. Якщо хлоропласти піддати дії сильного гербіцида 3-(3,4-дихлорфеніл)-1,1-диметилсечовини (ДХМС, або діурону), то виділення О₂ і фотофосфорилювання припиняються. Процес виділення О₂ можна поновити додаванням будь-якого акцептора електронів чи реагента Гілла. Який механізм летальної дії гербіцида на буряни? Вкажіть можливе місце інгібіторної дії гербіцида на схемі, наведеній на рис. 19-49. Поясніть свою думку.

25. Біоенергетика фотофосфорилювання. Стаціонарні концентрації ATP, ADP та P_i в ізольованих хлоропластах шпинату за умови повного освітлення і рН 7,0 становлять, відповідно, 120, 6 і 700 мкМ.

(а) Яка кількість вільної енергії необхідна для синтезу 1 моля ATP за цих умов?

(б) Енергія для синтезу ATP утворюється у процесі індукованого світлом перенесення електронів у хлоропластах. Який мінімальний перепад напруги (під час перенесення пари електронів) необхідний для синтезу ATP за цих умов? (Ви можете звернутися за підказкою до рівняння 13-6, стр.).

26. Світлова енергія для окисно-відновної реакції. Припустимо, що ви ізолювали новий фотосинтезуючий мікроорганізм, здатний окиснювати H₂S і передавати електрони на NAD⁺. Світло якої довжини хвилі постачатиме достатню кількість енергії для H₂S з тим, щоб відновити NAD⁺ за стандартних умов? Вважайте, що ефективність фотохімічної реакції становить 100%, величина Е^0. дорівнює -243 мВ для H₂S і -320 мВ для NAD⁺. Значення енергії, відповідні довжинам хвиль світла, наведено на рис. 19-39.

27. Константа рівноваги водорозщеплювальних реакцій. Коензим NADP⁺ у хлоропластах виконує роль кінцевого акцептора електронів згідно реакції

2H₂O + 2NADP⁺ → 2NADPH + 2H⁺ + O₂

Обчисліть константу рівноваги цієї реакції при 25^оС на підставі інформації, наведеної у табл.. 19-2. (Відношення між K’_eq і DG’¢⁰ розглянуто на стр.). Як можна подолати цю несприятливу рівновагу?

28. Енергетика фотоперетворення. Під час фотосинтезу для утворення молекули О₂ поглинається вісім фотонів (по чотири кожною фотосистемою):

2H₂O + 2NADP⁺ + 8 фотонів → 2NADPH + 2H⁺ + O₂

Приймемо, що фотони мають довжину хвилі 700 нм (червоне світло) і що ефективність поглинання та використання світлової енергії складає 100%. Обчисліть зміну вільної енергії у цій реакції.

29. Перенесення електронів на реагент Гілла. Якщо ізольовані хлоропласти шпинату інкубувати на світлі у середовищі, яке містить фериціанід калію (реагент Гілла), то спостерігається виділення О₂ згідно рівняння

2H₂O + 4Fe³⁺ → О₂ + 4H⁺ + 4Fe²⁺

де Fe³⁺ - це фериціанід, а Fe²⁺ - фероціанід. Чи утворюється NADPH у цьому процесі? Відповідь поясніть.

30. Як часто молекула хлорофіла поглинає фотон? Кількість хлорофіла а (Mr 892) у листках шпината становить 20 мкг/см² листка. Опівдні листок поглинає приблизно 50% сонячного випромінювання (середня величина енергії 5,4 Дж/см² · хв). Як часто одна молекула хлорофіла поглинає фотон? Якщо прийняти, що середня тривалість існування збудженої молекули хлорофіла in vivo складає 1 нс, то яка частина молекул хлорофіла перебуває у збудженому стані у будь-який момент часу?

31. Вплив монохроматичного світла на потік електронів. Іноді ступінь окиснення чи відновлення переносника електронів у процесі фотосинтетичного транспорту електронів можна спостерігати безпосередньо за допомогою спектрофотометра. Якщо хлоропласти освітити світлом з довжиною хвилі 700 нм, то переносники електронів цитохром f, пластоціанін і пластохінон окиснюються, якщо ж довжина хвилі складатиме 680 нм, то переносники відновлюються. Поясніть такий вплив світла.

32. Функція циклічного фотофосфорилювання. У випадку високого значення величини відношення [NADPH]/[NADP⁺] у хлоропластах, процес фосфорилювання здійснюється переважно циклічним шляхом (див. рис. 19-49). Чи відбувається виділення О₂ під час циклічного фосфорилювання? Чи утворюється NADPH? Дайте пояснення. У чому полягає головна функція циклічного фотофосфорилювання?

Рис.19-1 Біохімічна анатомія мітохондрії. Внутрішня мембрана утворює складки (кристи), за рахунок чого площа її поверхні дуже збільшується. Наприклад, внутрішня мембрана лише однієї мітохондрії печінки може мати понад 10000 систем перенесення електронів (дихальних ланцюгів) і молекул ATP-синтази, які розподіляються по всій поверхні мембрани. Водночас мітохондрії серця, що мають більшу кількість крист, а, отже, і більшу площу внутрішньої мембрани, містять у три рази більшу кількість систем перенесення електронів, порівняно з мітохондріями печінки. Мітохондріальний запас (пул) коензимів та проміжних продуктів функціонально відокремлений від відповідного цитозольного пулу. Мітохондрії безхребетних, рослин і мікробних еукаріотів за своєю будовою подібні до наведеної на рисунку, проте варіюють за розмірами, формою та ступенем складчастості внутрішньої мембрани.

Кристи ATP-синтаза Зовнішня мембрана Легко проникна для малих молекул та іонів

Внутрішня мембрана Непроникна для більшості малих молекул та іонів, у тому числі Н+ Містить: Дихальні переносники електронів (комплекси І-ІУ) ADP-ATP-транслокази ATP-синтазу (F0F1) Інші мембранні транспортери

Дата добавления: 2015-08-18