ЛЕКЦИЯ Структурная организация дыхательной цепи. Главные функции окислительных процессов

• Название: Главные функции окислительных процессов
• Анкор: ЛЕКЦИЯ Структурная организация дыхательной цепи.doc
• Дата: 03.01.2018
• Размер: 2.29 Mb.
• Имя файла: ЛЕКЦИЯ Структурная организация дыхательной цепи.doc
• Тип: Документы; #13655
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство

Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых – энергетическое обеспечение метаболизма.

Главные функции окислительных процессов:

1) запас энергии в утилизируемой форме,

2) рассеяние энергии в виде теплоты,

3) образование полезных соединений,

4) расщепление вредных веществ.

Различия между биологическим окислением и горением

• 
  Биологическое окисление не является одноступенчатой экзотермической реакцией, а представляет цепь реакций, в течение которых энергия освобождается, рассеивается в виде тепла и аккумулируется в АТФ.
  

• 
  Биологическое окисление–процесс ферментативный.
  

• 
  Биологическое окисление протекает при низкой температуре и в присутствии воды.
  

• 
  При сгорании органических веществ освобождение энергии происходит за счёт окисления углерода до углекислого газа, а при биологическом окислении за счёт окисления водорода, восстановления кислорода до воды.
  

История развития учения о биологическое окислении.
Оксидазная теория А. Н. Баха

• 
  Путь кислорода воздуха к субстрату лежит через перекись.
  

• 
  Активирование молекулярного кислорода:
  

а) оксигеназа + О₂  оксигеназа + перекись

б) оксигеназа + субстрат  оксигеназа + окисленный субстрат.
Теория В. И. Палладина

• 
  Окисление в живом организме идёт путём дегидрирования.
  

• 
  Акцептором водорода может быть не только кислород, но и другое вещество.
  

Сущность окисления

• 
  Химические реакции, в процессе которых происходит перенос электрона от одной молекулы к другой, называются окислительно-восстановительными.
  

• 
  Соединения, отдающие электрон, доноры электрона или восстановители.
  

• 
  Соединения, присоединяющие электрон,
  

акцепторы электрона или окислители.

• 
  Окислители и восстановители функционируют как сопряжённые окислительно-восстановительные пары (редокс-пары).
  

Fe + ē  Fe

окислитель, восстановитель,

акцептор донор

Каждая редокс-пара характеризуется стандартным потенциалом ( в вольтах)
Редокс-потенциал

• 
  Редокс-потенциал указывает направление переноса электрона.
  

• 
  При сравнении редокс-потенциала системы с нормальным водородным электродом, потенциал которого равен нулю, получают величины, отражающие окислительно-восстановительные способности вещества.
  

Тканевое дыхание – вид биологического окисления, при котором акцептором электрона является кислород
Субстраты тканевого дыхания:

• 
  кислоты цикла Кребса (изоцитрат, а-кетоглутарат, сукцинат, малат),
  
• 
  ПВК,
  
• 
  лактат,
  
• 
  аминокислоты,
  
• 
  α-глицерофосфат,
  
• 
  жирные кислоты.
  

Осуществляется тканевое дыхание с помощью ферментов дыхательной цепи.
Схема превращения энергии в живых клетках: тканевое дыхание, образование АТФ и пути его использования.




Структура АТФ
Способы синтеза АТФ




Дыхательная цепь – последовательность оксидоредуктаз во внутренней мембране митохондрий, осуществляющих перенос электронов и протонов от субстрата на молекулярный кислород.




Митохондрия

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков.



SH2 - исходный донор протонов и электронов;

P1, Р2, Р3, Р4 - промежуточные переносчики;

E1, E2, E3, E4 - ферменты окислительно-восстановительных реакций

• 
  Дыхательная цепь – основной поставщик энергии для синтеза макроэргических связей молекул АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.
  

• 
  Поддержание теплового баланса в организме. 57% энергии выделяется в виде тепла.
  

Компоненты дыхательной цепи



Водород в дыхательную цепь постыпает в виде в виде НАДН2, так как большинство дегидрогеназ внутри митохондрий НАД-зависимые, а также при действии на субстратфлавиновой дегидрогеназы (кофермент ФАД).
НАД-зависимые дегидрогеназы

• 
  непосредственно от субстрата принимают электроны и протоны:
  

S -HH +НАД⁺  S +НАДН+Н⁺

• 
  коллекторная функция НАД собирает электроны и протоны от субстрата.
  

• 
  Большинство дегидрогеназ имеют НАД, но может быть и НАДФ (Г-6-ФДГ).
  

• 
  Часть пиридин-зависимых дегидрогеназ локализована в митохондриях, часть – в цитоплазме.
  

• 
  Цитозольный и митохондриальный пулы НАД и НАДФ отделены друг от друга митохондриальной мембраной, которая для этих коферментов непроницаема.
  

Челночные механизмы переносят восстановленные нуклеотиды (НАДН+Н ) из цитоплазмы в митохондрии/

• 
  В цитоплазме происходит восстановление оксалоацетата до малата, который проникает в митохондрии.
  

• 
  В митохондриях под действием митохондриальной МДГ малат переходит в ЩУК, а НАДН+Н передаёт электроны и протоны в дыхательную цепь.
  

Окислительно-восстано-вительная система дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает 4 ферментных комплекса, катализирующих окисление НАДН+Н кислородом.

НАДН-KoQ-редуктаза катализирует перенос электронов от НАДН к KoQ.

Этот комплекс включает в себя:

• 
  НАДН-дегидрогеназу,
  

• 
  негемовые FeS – кластеры,
  

• 
  липиды,
  

• 
  белки.
  

НАДН-дегидрогеназа

• 
  флавопротеин,
  

• 
  находится во внутренней мембране митохондрий.
  

• 
  Коферментом является ФМН, который принимает электроны от НАДН+Н.
  

ФМН + НАДН+Н  ФМНН₂ +НАД

В FeS – белках железо связано с остатком серы.

Сукцинат-KoQ-редуктаза катализирует перенос электронов от сукцината к KoQ

Этот комплекс включает в себя:

• 
  СДГ,
  

• 
  негемовое Fe,
  

• 
  липиды,
  

• 
  белки.
  

СДГ- флавопротеин,

прочно связан с внутренней мембраной митохондрий.

Коферментом является ФАД.
KoQ (убихинон)

• 
  Источники убихинона – витамины К и Е.
  

• 
  KoQ расположен в дыхательной цепи между флавиновыми ферментами и цитохромами.
  

KoQ + ФМНН₂  KoQН₂ + ФМН

Убихинон – коллектор, так как собирает восстановленные

эквиваленты не только от НАДН-ДГ, но и от СДГ

и других компонентов.
KoQН2 – цитохром С–редуктаза катализирует перенос электронов от KoQН2 к цитохрому

Комплекс включает в себя:

• 
  цитохром В,
  

• 
  цитохром С1,
  

• 
  негемовое Fe,
  

• 
  липиды,
  

• 
  белки.
  

Цитохромы – сложные железосодержащие белки, окрашенные в красный цвет.

Кофермент аналогичен гему, но железо в цитохромах меняет валентность.

Впервые описаны Мак-Мунном, изучены Кейлиным.

Цитохромы переносят электроны.

Известны 25-30 различных цитохромов, которые отличаются:

• 
  редокс-потенциалом,
  

• 
  спектром поглощения,
  
• 
  молекулярным весом,
  
• 
  растворимостью в воде.
  
• 
  
  

Простетическая группа гема в структуре цитохромов.

Связывание гема с белковой частью цитохрома С



Цитохромоксидаза катализирует перенос электронов от цитохрома С к кислороду.
Комплекс включает в себя:

• 
  цитохром а,
  
• 
  цитохром а3,
  
• 
  негемовое Fe,
  
• 
  липиды,
  
• 
  белки.
  

Цитохромоксидаза отличается от других цитохромов:

• 
  наличие меди,
  
• 
  реагирует с кислородом,
  
• 
  протонный насос.
  

В этом ферменте 4 редокс-центра:

Цитохром С  СuА гем А  гем а₃  СuВ  О₂

Сu + е  Сu

При транспорте одного электрона происходит перенос двух ионов водорода, один из которых используется при восстановлении кислорода до воды, а другой пересекает мембрану.
Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома а.

Затем каждый из атомов молекулы кислорода

присоединяет по 2 электрона и по 2 протона,

превращаясь в молекулу воды.

Протоны поступают из водной среды.

4ē + 4Н + О₂  2Н₂0

200 – 400 мл воды синтезируется в сутки – эндогенная вода.

• 
  Весь процесс окисления НАДН+Н в дыхательной цепи сопряжён с переносом 10Н с внутренней стороны мембраны наружу.
  
• 
  В этом процессе участвуют комплексы I, III, IV.
  
• 
  Комплекс II переносит водород от сукцината к KoQ. Этот комплекс не принимает непосредственного участия в образовании энергии.
  

Нарушения в работе дыхательной цепи
Состояние фатальной детской митохондриальной миопатии и дисфункции почек.

Связано со снижением активности или полным отсутствием большинства оксидоредуктаз дыхательной цепи.
Порядок распределения ферментов в дыхательной цепи определяется редокс-потенциалом.

• 
  Редокс-потенциал изменяется в цепи, так как электроны теряют свободную энергию, проходя по цепи, переходят на более низкий энергетический уровень.
  
• 
  Субстрат должен иметь более отрицательный потенциал, чем переносчик-фермент:
  

1. 
   Глюкоза (-0,5 В) включается в самом начале дыхательной цепи.
   
2. 
   Аскорбиновая кислота (+ 0,2 В) включается с цитохрома С1.
   
3. 
   Электроны могут пройти через все переносчики от субстрата к кислороду.
   

Укороченные цепи

1. 
   Сукцинат отдаёт электроны на ФАД  КоQ  цитохромы  О₂. Редокс-потенциал сукцината -0,13.
   
2. 
   Аминокислоты флавиновые ферменты (оксидазы аминокислот) О₂ Н₂О₂.
   

Ингибиторы дыхания

1. 
   Инсектицид ротенон блокирует НАДН-ДГ. Барбитураты блокируют переход от ФП к убихинону.
   
2. 
   Антимицин А блокирует стадию: цитохром В цитохром С.
   
3. 
   Цианиды, угарный газ – ингибиторы цитохромоксидазы. Синильная кислота реагирует с Fe, угарный газ с Fe.
   

Каскадное выделение энергии в дыхательной цепи

• 
  Прохождение электрона по цепи сопровождается ступенчатым, этапным, дробным выделением энергии.
  
• 
  Общий перепад энергии в дыхательной цепи от – 0,32 до +0,82 составляет 1,14 В.
  
• 
  Выделенная каскадно энергия может быть утилизирована.
  
• 
  Перенос одной пары электронов от НАДН+Н к кислороду даёт 52,6 ккал.
  
• 
  Поскольку энергия электронов не может «откладываться про запас», она превращается в энергию химических связей АТФ.
  

Различают 2 типа дыхательных цепей:

• 
  сопряжённые с транспортом энергии,
  
• 
  несопряжённые с транспортом энергии.
  

Тканевое дыхание включает:

• 
  отнятие водорода от субстрата,
  
• 
  многоэтапный процесс переноса электронов на кислород.
  

Перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии.

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а 40% используется на синтез АТФ.