Энергетический баланс цикла трикарбоновых кислот. Физиологичное значение

реакций ЦТК.

Біохімічний підсумок циклу трикарбонових кислот полягає в утворенні двох молекул СО₂ (в ізоцитратдегідрогеназній та α-кетоглутаратдегідрогеназній реак-ціях) та чотирьох пар атомів водню, три з яких акцептуються НАД+ та одна— ФАД. Відновлені коферменти окислюються в дихальному ланцюзі мітохондрій утворюючи за рахунок окисного фосфорилювання по3 молекули АТФ на кожну молекулу НАДН і по2 молекули АТФ на кожну молекулу ФАДН2. Крім того, одна молекула АТФ утворюється в субстратному фосфорилюванні при перетворенні сукциніл-КоА в сукцинат. Таким чином, при повному окисленні однієї молекули ацетил-КоА до СО₂

та Н₂О в циклі трикарбонових кислот генерується12 молекул АТФ.

31. Реакции биологического окисления; типы реакций (дегидрогеназная,

оксидазная, оксигеназная) и их биологическое значение. Тканевое дыхание.

Типи реакцій біологічного окислення

Усі окислювально-відновлювальні реакції, що відбуваються в живих клітинах, каталізуються ферментами з класу оксидоредуктаз. 1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окислюється (SН2), певному акцептору (A), водню називаються реакціями дегідрування, а ферменти,— дегідрогеназами.

Коферментами дегідрогеназ,– нікотинамідні (піридинові) коферменти — нуклеотиди НАД+ та НАДФ+

– флавінові коферменти — нуклеотиди ФАД та ФМН

. Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють дегідрогенази, реакції дегідрування поділяють на такі класи:

1.1. Реакції дегідрування, в яких акцептором є хімічна сполука (R), відмінна від кисню:

Ферменти, — анаеробні дегідрогенази.

1.2. в яких як акцептор використовується кисень: Ферменти,, — аеробні дегідрогенази, або оксидази; в результаті їх дії утворюється перекис водню.

2. з передаванням від субстрату до акцептора електронів (одного або двох):

каталізуються цитохромами дихального ланцюга мітохондрій.

3. безпосереднє приєднання до субстрату, який окислюється, одного або двох атомів кисню.

дістали назву оксигеназних, ферменти,, — оксигенази

. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:

– монооксигеназні:

– діоксигеназні:

Монооксигеназні реакції каталізуються цитохромом Р-450 і лежать в основі окислювального гідроксилювання багатьох гідрофобних субстратів екзогенного та ендогенного походження (мікросомальне окислення). До діоксигеназних

належать реакції перекисного окислення ліпідів, тобто ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів природного походження.

32. Ферменты биологического окисления в митохондриях: пиридин-, флавин-

зависимые дегидрогеназы, цитохромы.

1. Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів (НАД (Ф)- залежні дегідрогенази).

Коферментами цих дегідрогеназ є нуклеотиди НАД+ або НАДФ+, у структурі молекул міститься — нікотинамід Зв’язок між НАД+ (або НАДФ+) та білковою частиною ферменту (апоферментом) у складі піридинзалежних дегідрогеназ нестійкий: він утворюється та руйнується в процесі каталітичного циклу,: Активною структурою в молекулі НАД+ або НАДФ+, що акцептує відновлювальні еквіваленти від субстрату, є піридинове кільце никотинаміду. У ході ферментативної реакції субстрат відщеплює два атоми водню (2Н+ + 2е–), один з яких у формі гідрид-іону: Н– (тобто Н+ + 2е–) приєднується до піридинового кільця НАД(Ф)+, а другий у вигляді протону (іону Н+) надходить у реакційне середовище:

. Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів,, що відщеплюють протони та електрони від багатьох субстратів, відновлюючи НАД+ або НАДФ+, передаючи в подальшому відновлювальні еквіваленти на інші акцептори. НАД - залежні дегідрогенази — каталізують окислювально-відновлювальні реакції, що містяться на окислювальних шляхах метаболізму —гліколізу, циклу лимонної кислоти, β-окислення жирних кислот, окисного дезамінування амінокислот, дихального ланцюга мітохондрій.

НАДФ - залежні дегідрогенази — у процесах відновлювального синтезу, що відбуваються в цитозолі, зокрема постачають атомиводню при синтезі жирних кислот та стероїдів. Головним джерелом відновленого

НАДФ є дегідрогеназні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози.

2. Флавінзалежні дегідрогенази.

Дегідрогенази цього типу є флавопротеїнами, простетичними групами, є (ФАД) та ФМН коферменти (ФАД та ФМН) міцно зв’язані з білковою частиною і не відщеплюються від неї на жодній стадії каталітичного циклу. Виключенням є ФАД-залежна оксидаза D-амінокислот, у складі якої білок має низьку спорідненість із коферментом: Активною частиною молекули ФАД або ФМН, що бере участь в окислю-вально-відновлювальній реакції, є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну, яке акцептує два атоми водню (2Н+ + 2е–) від субстрату:

Флавопротеїни — анаеробні дегідрогенази:

– НАДН-дегідрогеназа — ФМН-залежний компонент внутрішньої мембрани мітохондрій; виконує функцію колектора електронів, що забирає їх від НАДН і передає на більш електропозитивні компоненти дихального ланцюга мітохондрій;

– сукцинатдегідрогеназа — ФАД-залежний фермент циклу трикарбонових кислот, що окислює янтарну кислоту;

– дигідроліпоїлдегідрогеназа — ФАД-залежний фермент, що бере участь в окислювальному декарбоксилюванні піровиноградної кислоти;

– ацил-КоА - дегідрогеназа — ФАД-залежний фермент системи β-окислення жирних кислот; – гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа — ФАД-залежний фермент, що окислює гліцерол-3-фосфат у мітохондріях.

Флавопротеїни — аеробні дегідрогенази:

– дегідрогеназа (оксидаза) L-амінокислот — ФМН-залежний фермент нирок, специфічний до природних Lамінокислот;

– ксантиноксидаза (ксантиндегідрогеназа) — ФАД-залежний фермент, який окислює пурини до сечової кислоти;

– глюкозоксидаза — ФАД-залежний рослинний фермент, що використовується для кількісного визначення глюкози в біологічних рідинах.

3. Цитохроми.

Цитохроми — залізовмісні білки мітохондрій, що належать до класу гемопротеїнів. У цитохромах іон заліза входить до складу металопорфіриновогокомплексу (гемінове залізо), близького за хімічною структурою до простетичних

груп гемоглобіну та міоглобіну. цитохроми виконують функцію транспорту електронів у ланцюгах біологічного окислення в аеробних клітинах:, розрізняють три класи цитохромів (a, b, c). У мітохондріях еукаріотів наявні п’ять різновидів цитохромів — b, c, c 1, a, a 3; в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів містяться цитохроми Р-450 та b 5, що беруть участь у реакціях окислювального гідроксилювання.

33. Последовательность компонентов дыхательной цепи митохондрий.

Молекулярные комплексы внутренних мембран митохондрий.

Компоненти дихального ланцюга мітохондрій:

НАДН-дегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює відновлений НАД+ (НАДН); входить до складу молекулярного комплексу внутрішніх мітохондріальних мембран НАДН-коензим Q-редуктази. Сукцинатдегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює янтарну кислоту; входить до складу молекулярного комплексу сукцинат-коензим Q-редуктази. Коензим Q (убіхінон) — ліпідорозчинний хінон з ізопреноїдним бічним ланцюгом, що містить у тканинах ссавців десять п’ятивуглецевих ізопреноїдних залишків (Q10). Убіхінон виконує функцію колектора відновлювальних еквівалентів, акцептуючи протони та електрони не тільки від ФМН-залежної НАДН-дегідрогенази, а й від ФАД-залежних дегідрогеназ мітохондрій (сукцинатдегідрогенази та дегідрогеназ системи â-окислення жирних кислот тощо).

Цитохроми мітохондрій:

Цитохром b.

Цитохром c 1.

Цитохром c.

Цитохром a.

Цитохром a 3.

Залізо-сіркові білки, що містять негемове залізо (FeS), — це білки, асоційовані з флавопротеїнами мітохондрій (металофлавопротеїнами) та цитохромом b.

Послідовність передавання електронів від одного компонента дихального ланцюга мітохондрій до іншого визначається стандартними окислювально-відновлювальними потенціалами цих компонентів

Комплекси дихального ланцюга внутрішніх мембран мітохондрій

НАДН-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (являє собою флавопротеїн, що містить ФМН), який окислює НАДН і передає відновлювальні еквіваленти на коензим Q (убіхінон); у складі НАДН-коензим Q-редуктази НАДН-

дегідрогеназа асоційована з FeS-білками (так званий комплекс I). Сукцинат-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (ФАД-залежний флавопротеїн), який окислює сукцинат, відновлюючи коензим Q; до складу комплексу входить флавопротеїн сукцинатдегідрогеназа, асоційована з FeS-білком

(комплекс II). Коензим Q-цитохром с-редуктаза (убіхінолдегідрогеназа) — ферментний комплекс, що складається з цитохрому b, FeS-білка та цитохрому c 1; ферментний комплекс транспортує електрони з відновленого коензиму Q (QH2) на цитохром c (комплекс III). Цитохром с-оксидаза — ферментний комплекс, що складається з цитохромів

a та a 3 (комплекс IV); комплекс здійснює кінцеву стадію біологічного окислення — відновлення електронами молекулярного кисню; він містить іони міді, як і інші оксидази.

34. Окислительное фосфорилирование: пункты сопряжения транспорта электронов

и фосфорилирования, коэффициент окислительного фосфорилирования.

Окисне фосфорилювання — процес, шляхом якого хімічна енергія, що вивільняється під час транспортування електронів упродовж дихального (електронотранспортного) ланцюга мітохондрій, уловлюється та викори-

стовується для синтезу аденозинтрифосфату (АТФ) з аденозиндифосфату (АДФ) та неорганічного фосфату (Ф Н).

Синтез АТФ з АДФ та неорганічного фосфату ФН (Pi — англ.) отримав назву спряження дихання (електронного транспорту в мітохондріях) та окисного фосфорилювання.

Вивільнення хімічної енергії в дихальному ланцюзі та ділянки утворення АТФ

Транспортування електронів у дихальному ланцюзі мітохондрій від первинних донорів відновлювальних еквівалентів (субстратів біологічного окислення) до молекулярного кисню супроводжується зниженням вільної енергії (ΔG),: Синтез однієї молекули АТФ з АДФ та ФН потребує витрат хімічної енергїї, що дорівнюють + 7,3 ккал (+ 30,5 кДж). Очевидно, що енергії, яка вивільняється за умов транспорту електронів у дихальному ланцюзі мітохондрій, достатньо для синтезу декількох молекул АТФ, за умов окислення субстратів через НАДН-коензим Q-редуктазу утворюється 3 молекули АТФ, при дії сукцинат-коензим Q-редуктази — 2 молекули АТФ.

Коефіцієнт окисного фосфорилювання — відношення кількості зв’язаного (етерифікованого) неорганічного фосфату (моль) до кількості поглинутого мітохондріями кисню (моль) (позначається як ФН (Pi)/О) — кількісно дорівнює числу

молекул АТФ, що утворюються при перенесенні двох відновлювальних еквівалентів на один атом кисню, тобто АТФ/О

35. Хемиосмотическая теория окислительного фосфорилирования, АТФ-

синтетаза митохондрий.

Хеміоосмотична теорія окисного фосфорилювання

Молекулярні механізми генерації АТФ в ході біологічного окислення в мітоходріях пояснюються хеміоосмотичною теорією (за П.Мітчелом —P.Mitchell). Головний постулат хеміоосмотичної теорії — спряження електронного

транспорту в мітохондріях із біохімічною системою синтезу АТФ здійснюється за рахунок електрохімічного

потенціалу протонів (ΔμН+), що утворюється під час функціонування електронотранспортного ланцюга.

Хеміоосмотична теорія передбачає, що:

1. Функціонування дихального (електронотранспортного) ланцюга у внутрішніх (спрягаючих) мембранах мітохондрій супроводжується генерацією на цих мембранах електрохімічного градієнта протонів (Н+).

2. Окремі компоненти електронотранспортного ланцюга діють як протонні помпи, що спричиняють векторний (перпендикулярний площині мембрани) транспорт протонів, спрямований у напрямку “матрикс зовнішня поверхня мембрани”.

3. Електрохімічний потенціал протонів на спрягаючих мембранах, який створюється завдяки дії протонних помп дихального ланцюга, є рушійною силою синтезу АТФ з АДФ та Фн.

4. Існує ферментна система, що використовує енергію електрохімічного протонного потенціалу для синтезу АТФ за рахунок транслокації протонів через мітохондріальну мембрану в напрямку “зовнішня поверхня матрикс”.

Ця ферментна система, є білком з четвертинною структурою,що складається з декількох білкових субодиниць, якіутворюють компоненти F0 та F1 (F 0 F 1 – АТФаза).

5. Будь-які фізичні, хімічні та біологічні фактори, що пошкоджують цілісність спрягаючих мембран мітохондрій та розсіюють енергію електрохімічного градієнта, порушують синтез АТФ, тобто виступають як роз’єднувачі транс-

порту електронів та окисного фосфорилювання.

Таким чином, згідно з хеміоосмотичною теорією, спряження між переносом електронів в дихальному ланцюзі та синтезом АТФ здійснюється за рахунок утворення при функціонуванні протонних помп градієнта концентрації Н+ між двома поверхнями мітохондріальної мембрани.

36. Ингибиторы транспорта электронов и разобщители окислительного

фосфорилирования.

Інгібітори електронного транспорту

Ротенон — інгібітор транспорту електронів через НАДН-коензим Q-редук-

тазний комплекс. Ротенон застосовується як інсектицид.

Амобарбітал (амітал) та близький до нього за структурою секобарбітал (секонал). Ці похідні барбітурової кислоти (барбітурати) застосовуються у фармакології як снодійні засоби. Разом з тим, барбітурати, подібно до ротенону, є

активними інгібіторами клітинного дихання, блокуючи електронний транспорт на рівні НАДН-коензим Q-редуктази.

Пієрицидин А — антибіотик, що також блокує НАДН-коензим Q-редуктазний комплекс за рахунок конкурентної взаємодії з убіхіноном.

Антиміцин А — антибіотик, що блокує дихальний ланцюг мітохондрій на рівні переносу електронів через комплекс III (цитохром b — цитохром c 1).

Ціаніди (іони CN –) — потужні клітинні отрути, що є інгібіторами транспорту електронів на термінальній ділянці дихального ланцюга мітохондрій (у цитохромоксидазному комплексі). Іони CN – утворюють комплекси з ферри (Fe3+) —формою молекул гему цитохромоксидази, блокуючи їх відновлення до фермо (Fe2+) — форм.

Монооксид вуглецю (CO) — інгібірує цитохромоксидазу шляхом зв’язування з ділянкою гему, що взаємодіє з молекулою кисню.

Інгібітори окисного фосфорилювання

Олігоміцин — антибіотик, що протидіє як фосфорилюванню АДФ до АТФ, так і стимуляції поглинання О2, що спостерігається після додавання до мітохондрій АДФ (феномен “дихального контролю”). Механізм дії олігоміцину полягає в інгібіруванні функції АТФ-синтетази.

Роз’єднувачі окисного фосфорилювання

спричиняють “неконтрольоване” дихання мітохондрій, яке не залежить від функціонування системи фосфорилювання АДФ. спостерігається активне поглинання мітохондріями О2, незважаючи на зниження швидкості (або відсутність) генерації АТФ з АДФ та Фн. Згідно з хеміоосмотичною теорією, роз’єднувачі спричиняють втрату мембраною протонного потенціалу — рушійної сили генерації макроергічних зв’язків АТФ. До роз’єднувачів окисного фосфорилювання належать:

– 2,4-динітрофенол та сполуки, близькі до нього за хімічною структурою (динітрокрезол, пентахлорфенол);

– СССР (карбонілціанід-м-хлорфенілгідразон) — сполука, що в 100 разів перевищує за специфічною активністю 2,4-динітрофенол. Здатність роз’єднувати дихання та окисне фосфорилювання в мітохондріях мають також гормони щитовидної залози (тироксин, трийодтиронін).

37. Микросомальное окисление: цитохром Р-450; молекулярная организация цепи

переноса электронов.

Дата добавления: 2015-11-14