CH
3
-CO-COOH + NAD
+
+ HSKoA CH
3
-COSKoA + NADH + H
+
+ CO
2
28 3.1. ЦИКЛ КРЕБСА Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, далее вступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), где оба атома углерода ацетильного остатка окисляются до 2 молекул СО 2 . Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях цикла, поставляются в дыхательную цепь при участии НАД + - и ФАД-зависимых дегидрогеназ. В первой реакции цикла, катализируемой цитратсинтазой, атом углерода метильной группы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата .Вторая реакция представляет обратимое превращение цитрата в изоцитрат. В третьей реакции цикла, катализируемой НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит окислительноедекарбоксилированиеизоцитрата. Эта самая медленная реакция цикла, ее продуктом является α- кетоглутарат. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируемое α- кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своему строению и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс также состоит из 3 ферментов и 5 коферментов, среди которых тиаминпирофосфат, НSКоА, ФАД, НАД и липоевая кислота. Продуктами реакции являются сукцинил-КоА, СО 2 и НАДН. В пятой реакции происходит субстратное фосфорилирование – это синтез ГТФ (или АТФ) из ГДФ (или АДФ) и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при разрыве макроэргической связи в субстрате (рис. 1). В этой реакции происходит разрыв макроэргической связи в сукцинил-КоА, освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования ГДФ до ГТФ. Энергия ГТФ в большей степени используется в биосинтезе белка, поэтому большая часть ГТФ вступает в реакцию с АДФ, в результате чего образуется универсальный макроэрг–АТФ: ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ В шестой реакции происходит окисление сукцината до фумарата при участии ФАД-зависимой дегидрогеназы. В седьмой реакции, катализируемой фумаразой, происходит образование малата. В последней реакции цикла происходит дегидрирование малата НАД + -зависимой малатдегидрогеназой в результате чего происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, за один оборот цикла Кребса сгорает одна молекула ацетил-КоА, оба углеродных атома которого превращаются в углекислый газ; а освободившиеся в окислительных реакциях 8 атомов водорода восстанавливают 4 кофермента (3 НАД + и 1 ФАД). Атомы водорода с восстановленных коферментов поступают в дыхательную цепь, где транспортируются до кислорода, что приводит образованию воды. В итоге конечными продуктами полного окисления ацетил-КоА являютсяСО 2 и вода.
29
Рис.1. Цикл Кребса
Регуляция цикла Кребса: регуляторными ферментами цикла являются цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа (самый медленный фермент), α- кетоглутаратдегидрогеназа. Аллостерически цикл ингибируют АТФ, НАДН и ацил-КоА, активируют АДФ и НАД
+
. Скорость цикла увеличивается под действием гормонов: катехоламинов и глюкагона (в печени). Поддерживает активность цикла Кребса инсулин.
Роль цикла Кребса.Катаболически-энергетическая функция цикла состоит в том, что здесь происходит катаболизм углеродных скелетов метаболитов всех видов обмена; кроме того, здесь происходит дегидрирование субстратов и поставка водородов с восстановленных коферментов в дыхательную цепь. Энергетическая функция цикла состоит в том, что в нем происходит образование 1 АТФ путем субстратного фосфорилирования.
Цикл Кребса – один из амфиболических путей метаболизма, то есть он выполняет не только катаболические, но и анаболические функции – ряд промежуточных продуктов используется в качестве субстратов для биосинтезов. Так, α-кетоглутарат, пируват и оксалоацетат используются для синтеза заменимых аминокислот, сукцинил-КоА – для биосинтеза порфиринов
(гем). Кроме того, метаболиты цикла могут использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина. Анаболические функции цикла Кребса
30 наиболее характерны для клеток печени. Убыль метаболитов, использованных для анаболических целей, восполняется с помощью анаплеротических (пополняющих) реакций, главной из которых является реакция карбоксилированияпирувата, катализируемая пируваткарбоксилазой в присутствии биотина: Пируват + СО2 + АТФ + Н2О Оксалоацетат +АДФ +Н3РО4Цикл Кребса выполняет также и регуляторную функцию, так как его метаболиты выступают в роли регуляторов обменных процессов. Так, НАДН является ингибитором окислительного катаболизма, цитрат активирует синтез жирных кислот и ингибирует гликолиз, ацетил-КоА является обязательным активатором глюконеогенеза и ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса. 3.2. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ В живых организмах окисление органических веществ кислородом происходит с образованием воды и СО 2 , что называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает дегидрирование субстратов (отнятие от них водорода) и последующий многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Именно в ходе этого процесса происходит освобождение энергии, заключенной в электронах водорода. Однако в эксперименте непосредственное взаимодействие водорода с кислородом хотя и приводит к образованию воды, но сопровождается взрывом, ибо при этом вся энергия электронов водорода освобождается одномоментно. В организме образование воды происходит через ряд реакций, благодаря этому энергия электронов освобождается не одномоментно, а порциями. Это становится возможным благодаря тому, что во внутреннюю мембрану митохондрий встроена система переносчиков, называемая дыхательной цепью (ДЦ). ДЦ – это совокупность дыхательных переносчиков, которые переносят сначала атомы водорода, а затем только электроны от субстрата на кислород. Большинство переносчиков представляют собой сложные белки-ферменты класса оксидоредуктаз. В их составе содержатся различные небелковые компоненты: ФМН, ионы Fе. Все компоненты ДЦ располагаются в порядке возрастания редокс-потенциала (рис.2). Самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от НАД 2Н ФМН 2Н Q 2е в 2е с 1 2е с 2е а 2е О АТФ АТФАТФ 2H + H 2 О О 2- Рис.2. Дыхательная цепь
31
НАДН на кислород, при котором на каждом этапе происходит освобождение энергии.
Дегидрогеназы, отщепляющие атомы водорода от субстратов, делятся на
НАД-зависимые и
ФАД-зависимые.
При участии
НАД
+
-зависимых дегидрогеназ окисляются пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, лактат и др. При участии ФАД-зависимых дегидрогеназ окисляются сукцинат, ацил-
КоА, α-глицерофосфат.
Работа ДЦ по транспорту электронов на кислород представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, в которых каждый переносчик способен как окисляться, так и восстанавливаться. Так НАД
+
присоединяет водород от субстратов и превращается в восстановленную форму
– НАДН, который отдает атомы водорода на следующий переносчик – ФМН.
При этом НАДН окисляется, а ФМН восстанавливается.
НАДН + Н
+
+ ФМН НАД
+
+ ФМНН
2
и т. д.
Атомы Н, отщепляемые при участии ФАД-зависимых дегидрогеназ, поступают в ДЦ на уровне коэнзимаQ (КоQ, убихинона). До КоQ по дыхательной цепи одновременно передаются протоны и электроны водорода.
Далее по системе цитохромов передаются только электроны. Цитохромы содержат гем, железо в котором может изменять свою валентность:
е +Fе
3+
Fе
2+
; Fe
2+
- e Fe
3+
Цитохром а, или цитохромоксидаза, передает электроны непосредственно на кислород, при этом цитохром а окисляется, а кислород, приняв 2 электрона, становится дважды отрицательно заряженным (О
2-
). Такой кислород взаимодействует с двумя протонами, отщепившимися на уровне КoQ, что приводит к образованию эндогенной воды. Но ДЦ работает не ради эндогенной воды, она работает ради освобождения энергии. В ДЦ освобождается энергия электронов водорода при переходе их с одного переносчика на другой. Около
60% энергии освобождается в виде тепла, а на тех участках, где значительный перепад редокс-потенциала и величина освобождаемой энергии составляет не менее 7,3 ккал, ее оказывается достаточно для синтеза АТФ. В виде АТФ в ДЦ аккумулируется 40% энергии. Участки, где в ДЦ происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. При этом происходит сопряжение
(взаимосвязь) между окислением (т.е. переносом электронов по цепи переносчиков на кислород) и фосфорилированием АДФ до АТФ. Таких уча- стков в ДЦ три:
Между ФМН и КоQ.
Между цитохромом в и с
1
Между цитохромом а и кислородом.
Если субстрат окисляется ФАД-зависимыми дегидрогеназами и атомы водорода вводятся в ДЦ на уровне КоQ, то в таком случае в ДЦ имеется два участка сопряжения: между цитохромом в и с
1
и между цитохромом а и О.
Результатом сопряжения в ДЦ является окислительное фосфорилирование
(ОФ). ОФ – это синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Н
3
РО
4
) за счет
32 энергии, освобождаемой при работе ДЦ. Количественно работу ДЦ оценивают по коэффициенту окислительного фосфорилирования Р/О. Коэффициент Р/О – это отношение числа молекул АТФ, образовавшихся в ДЦ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Если субстрат окисляется НАД + -зависимой дегидрогеназой, то Р/О равен 2,5, если ФАД-зависимой – то 1,5. АТФ в клетке образуется из АДФ и неорганического фосфата. Для присоединения фосфата необходима энергия: АДФ + Н3РО4 АТФ В зависимости от того, какая энергия используется для синтеза АТФ, различают субстратное (СФ) и окислительное фосфорилирование (ОФ). В первом случае для синтеза АТФ используется энергия, возникшая при окислении субстрата, для него не нужна мембрана и при этом образуется мало АТФ. СФ протекает в два этапа: 1. Образование первичного макроэрга (сукцинил-КоА в цикле Кребса, 1,3-бисфосфоглицерата и фосфоенолпирувата в гликолизе) 2. Образование вторичного макроэрга – АТФ. ОФ происходит только в митохондриях и для него необходима мембрана, при этом образуется большое количество АТФ. Для синтеза АТФ в ДЦ используется энергия электрохимического потенциала водорода (∆µН + ), который возникает за счет выброса протонов из внутренней мембраны ми- тохондрий в межмембранное пространство. Обратный процесс переноса протонов в матрикс через протонные каналы сопровождается освобождением энергии. Эту энергию и использует АТФ-синтаза для синтеза АТФ. Полное окисление ацетил-КоА до СО 2 и воды (т.е. в цикле Кребса и ДЦ) дает 10 АТФ, а полное окисление пирувата – 12,5 АТФ ( в окислении пирувата участвуют 4 НАД + -зависимых дегидрогеназы, что дает 4х2.5=10 АТФ, 1 ФАД- зависимая дегидрогеназа, что дает 1,5 АТФ и 1 АТФ образуется субстратным фосфорилированием в цикле Кребса. В окислении ацетил-КоА принимает участие на одну НАД + -зависимую дегидрогеназу меньше). Регуляция ДЦ. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов по ДЦ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду, т. е. работа ДЦ замедляется. И наоборот, расход АТФ и накопление АДФ увеличивает окисление субстратов и потребление кислорода, т. е. работу ДЦ. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Кроме того, работу ДЦ усиливают катехоламины, глюкагон и йодтиронины. Разобщение в ДЦ. Некоторые химические вещества могут переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану вматрикс, минуя протонные каналы. В результате этого снижается электрохимический потенциал и снижается синтез АТФ. Это явление называют разобщением окисления и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а, следовательно, будут страдать все процессы, требующие энергии АТФ (клинически проявляется слабостью, снижением работоспособности, повышением теплопродукции).В этом случае окисление НАДН и 33 ФАДН 2 возрастает, возрастает и количество поглощенного кислорода, но большая часть энергии выделяется в виде тепла (может повышаться температура тела) и коэффициент Р/О снижается: становится меньше 2,5 или 1,5 для НАД + - и ФАД-зависимых дегидрогеназ соответственно. Вещества, вызывающие разобщение, называются разобщителями. Физиологическими разобщителями являются жирные кислоты в буром жире. Кроме того, разобщение вызывают большие дозы йодтиронинов, токсические вещества, например, 2,4-динитрофенол; а также некоторые бактериальные токсины, например, дифтерийный. Разобщение окисления и фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания постоянной температуры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных и в процессе адаптации к холоду. 3.3. СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ: ФУНКЦИИ, ОКСИДАТИВНАЯ МОДИФИКАЦИЯ Большая часть кислорода, потребляемого организмом, восстанавливается на терминальном участке ДЦ в результате присоединения 4-х электронов. Некоторая часть кислорода используется в реакциях свободного (не фосфорилирующего) окисления, катализируемых оксидазами, оксигеназами (эти реакции необходимы при синтезе желчных кислот, гормонов, обезвреживании ксенобиотиков), а также одновременно является токсическим веществом, в случае, если из него образуются активные формы кислорода (АФК). АФК образуются в результате неполного поэтапного восстановления кислорода (в результате присоединения менее 4-х электронов). При одноэлектронном восстановлении кислород превращается в супероксид. При двухэлектронном восстановлении – в пероксид водорода, при трехэлектронном – в гидроксильный радикал (самая токсичная форма). Вещества, усиливающие образование активных форм кислорода, называют прооксидантами. Ими являются: кислород, особенно гипербарический и потребляемый в огромных количествах при активации нейтрофилов и макрофагов; витамин Д и большие дозы витамина А, излучения (ультрафиолет и ионизирующее), ксенобиотики (том числе и лекарства), металлы с переменной валентностью (железо, медь). Образовавшиеся активные формы кислорода воздействуют на липиды, нуклеиновые кислоты, белки, вызывая их оксидативную модификацию, результатом которой является образование в перечисленных субстратах органических перекисей – ROOH. Оксидативная модификация молекул имеет как патологические, так и физиологические стороны. Патологическими эффектами оксидативной модификации являются: 1. Мутации, возникающие при повреждении ДНК. 2. Нарушения функций белков, возникающие при их повреждении, что вызывает патологию мембран. 3. Повреждение липидов, также приводящее к патологии мембран. 4. Апоптоз (программируемая гибель клеток), например, гибель нейронов, вырабатывающих дофамин, при паркинсонизме 34 5. В результате всех процессов происходит повреждение и гибель клеток. Все эти процессы могут привести к хроническому и избыточному воспалению, канцерогенезу, атеросклерозу, старению и др. Физиологическими эффектами оксидативной модификации являются: 1. Функционирование нейтрофилов и макрофагов, приводящее к завершению фагоцитоза. 2. Синтез эйкозаноидов – гормонов, производных полиненасыщенных жирных кислот. 3. Апоптоз, например, гибель раковых клеток. В организме существует эффективная система защиты – антиоксидативная система, она состоит из низкомолекулярных веществ (антиоксидантов) и ферментов. Низкомолекулярными антиоксидантами являются: трипептидглутатион, витамины С, Е, малые дозы витамина А, каротины – провитамины А, ликопин, билирубин, ураты. К ферментам, защищающим клетки от активных форм кислорода, относят супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионпероксидазу. Органические перекиси разрушают глутатионпероксидаза и глутатионтрансфераза, при этом органические перекиси превращаются в спирты. Глутатионтрансфераза также может связывать токсические вещества – продукты перекисного окисления, например, альдегиды. Супероксиддисмутаза превращает супероксид в менее токсичную перекись водорода. Перекись водорода может разрушаться ферментом каталазой до кислорода и воды. Глутатионпероксидаза – важнейший фермент, так как он разрушает как пероксид водорода, так и органические перекиси. Он катализирует восстановление пероксидов с помощью глутатиона. Сульфгидрильная группа глутатиона (GSH) служит донором электронов, и, окисляясь, образует дисульфидную форму окисленногоглутатиона, в которой 2 молекулы глутатиона связаны через дисульфидную группу Н2О2 + 2 GSH 2Н2О + GSSG Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой: GSSG + НАДФН + Н+ 2 GSH + НАДФ+ 3.4. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ Выбрать один правильный ответ 31. НА ПЕРВОМ ЭТАПЕ КАТАБОЛИЗМА ПРОИСХОДИТ 1) превращение полимеров в мономеры 2) превращение мономеров в полимеры 3) гликолиз 4) β-окисление жирных кислот 32. НАИБОЛЬШЕЕ КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ОСВОБОЖДАЕТСЯНА
35
ЭТАПЕ КАТАБОЛИЗМА
1)первом
2) втором
3)третьем
33. ГЛАВНЫМ
ПОСТАВЩИКОМ
АТОМОВ
ВОДОРОДА
ДЛЯ
ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ СЛУЖИТ
1) гликолиз
2) β-окисление
3) цикл Кребса
4) окисление глицерина
34. ПОТОК ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
РАСХОДИТСЯ НА УРОВНЕ
1) ФМН
2) цитохрома с
3) цитохрома в
4) убихинона (Q)
35. В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ ЭНЕРГИЯ ВЫДЕЛЯЕТСЯ В ВИДЕ
1) только тепла
2) только АТФ
3) тепла и АТФ
36. ПОСЛЕДСТВИЯМИ РАЗОБЩЕНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ
1) снижение теплопродукции
2) увеличение работоспособности
3) увеличение теплопродукции
4) снижение температуры тела
37. В
РОЛИ РАЗОБЩИТЕЛЕЙ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МОГУТ
ВЫСТУПАТЬ
1) АТФ
2) жирные кислоты бурого жира
3) инсулин
4) глюкоза
38. АЭРОБНЫМИ ТКАНЯМИ ЯВЛЯЮТСЯ
1) тонкий кишечник
2) ткани конечности
3) эритроциты
4) периферические нервы
39. ПРООКСИДАНТАМИ ЯВЛЯЮТСЯ
1) витамин С
2) витамин Е
36 3) большие дозы витамина А 4) малые дозы витамина А 40. УВЕЛИЧИВАЮТ ОБРАЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА 1) прооксиданты 2) разобщители ДЦ 3) антиоксиданты 4) ингибиторы ДЦ 41. АНТИОКСИДАНТАМИ ЯВЛЯЮТСЯ 1) большие дозы витамина А 2) витамин С 3) витамин Д 4) излучения 42. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ НА КИСЛОРОД ОСУЩЕСТВЛЯЮТ ФЕРМЕНТЫ 1) оксидазы 2) дегидрогеназы 3) редуктазы 4) оксигеназы 43. ОДНИМ ИЗ ГЛАВНЫХ МЕТАБОЛИТОВ ВТОРОГО ЭТАПА КАТАБОЛИЗМА ЯВЛЯЕТСЯ ПИРУВАТ, КОТОРЫЙ МОЖЕТ БЫТЬ ОБРАЗОВАН 1) из жирных кислот 2) из аминокислот 44. ЦИТРАТ КАК РЕГУЛЯТОР 1) активирует гликолиз 2) ингибирует синтез жирных кислот 3) активирует синтез жирных кислот 45. АТФ В ЦИКЛЕ КРЕБСА ОБРАЗУЕТСЯ ПУТЕМФОСФОРИЛИРОВАНИЯ 1) окислительного 2) субстратного 3) фотосинтетического | 
Скачать 1.92 Mb.