Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, запасающей энергию, является АТФ. Все молекулы АТФ в организме непрерывно участвуют в каких-либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа использования АТФ, которые вкупе с процессом образования АФ получили название АТФ-цикл. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание 1. Гликолиз (2 этап) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил-SКоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту. 2. Окисление жирных кислот (2 этап) – окисление жирных кислот до ацетил-SКоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2 . Молекул АТФ "в чистом виде" не образуется. 3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, 3 этап) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил-SКоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ, 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН 2 4. Окислительное фосфорилирование (3 этап) – окисляются НАДН и ФАДН 2 , полученные в реакциях катаболизма глюкозы и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ из АДФ (фосфорилирование. Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3-дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил-SКоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем в АТФ (7,3 ккал/моль), и роль этих веществ сводится кис- пользованию для фосфорилирования АДФ. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях происходит ее окислительное декарбоксилирование до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А. Суммарное уравнение реакции отражает декарбоксилирование пирувата, восстановление НАД до НАДН и образование ацетил. Превращение состоит из пяти последовательныхреакций, осуществляется мультифер- ментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов Пируватдегидрогеназа (Е, ПВК-дегидрогеназа), ее коферментом является тиамин- дифосфат , катализирует ю реакцию. Дигидролипоат-ацетилтрансфераза (Е, ее коферментом является липоевая кислота, катализирует ю и ю реакции. Дигидролипоат-дегидрогеназа (Е, кофермент – ФАД, катализирует ю и ю реакции. Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим Аи НАД. Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется пируватдегидрогеназой, Е, окислению пирувата до ацетила и переносу ацетила на коэн- зим А (катализируется дигидролипоамид-ацетилтрансферазой, Е. Общие пути биологического окисления Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное состояние (катализируются дигидролипоат-дегидрогеназой, Е. При этом образуется НАДН. РЕГУЛЯЦИЯ ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНОГО КОМПЛЕКСА В пируватдегидрогеназном комплексе имеются еще 2 вспомогательных фермента – ки- наза и фосфатаза, участвующие регуляции активности пируватдегидрогеназы (Е) путем фосфорилирования и дефосфорилирования. Киназа активируется при избытке АТФ и продуктов реакции – НАДН и ацетил-SКоА. При этом она фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 81 Фосфатаза , активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий и включает 8 реакций. Он представляет собой последовательные реакции связывания ацетила и щавелевоуксусной кислоты (ок- салоацетата) с образованием лимонной кислоты, ее изомеризации и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат. Общие пути биологического окисления Основная роль ЦТК заключается в генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи (см ниже, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН 2 . Кроме этого, в ЦТК образуется одна молекула АТФ предшественник гема сукцинил-SКоА; кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α-кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксало- ацетат для аспарагиновой. РЕГУЛЯЦИЯ ЦТК Главными основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс. Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является синтез из пирувата (анаплеротическая или пополняющая реакция, поступление из фруктовых кислот самого ЦТК (яблочной, лимонной, образование из аспарагиновой кислоты. Также некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами. Ингибиторы Активаторы Цитратсинтаза АТФ, цитрат, НАДН, ацил-SКоА Изоцитрат-дегидрогеназа АТФ, НАДН АМФ, АДФ α-Кетоглутарат- дегидрогеназа Сукцинил-SКоА, НАДН цАМФ www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ Окислительное фосфорилирование – основная часть биологического окисления или тканевого дыхания, те. процессов, идущих в организме с участием кислорода. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН 2 ) и сопровождающийся синтезом АТФ. Впервые механизм окислительного фосфорилирования был предложен П.Митчеллом. Согласно этой гипотезе перенос электронов, происходящий на внутренней митохондриаль- ной мембране, вызывает выкачивание ионов Низ матрикса митохондрий в межмембран- ное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н + между цитозолем и замкнутым внутримитохондриальным пространством. Ионы водорода в норме способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом – через специальный фермент, образующий АТФ – АТФ-синтазу. По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью П Р И Н Ц ИПР А БОТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕП ИВ целом работа дыхательной цепи заключается в следующем 1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода (те. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи. 2. Электроны движутся по дыхательной цепи и теряют энергию. 3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Низ матрикса в межмембранное пространство. В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его доводы. Протоны Н стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу. 6. При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ. Общие пути биологического окисления ФЕРМЕНТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ bbД Ы ХАТЕ ЛЬ НОЙ ЦЕПИ bВсего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков. Все они организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. I КОМПЛЕКС , НАДН-K O Q- ОКСИДОРЕДУКТАЗА I комплекс носит общее название НАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН, 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков, с общей молекулярной массой до 900 кДа. Функция 1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон). 2. Переносит 4 иона Н на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны. II КОМПЛЕКС комплекс – как таковой не существует, его выделение условно, включает в себя ФАД-зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил- SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот, сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот, митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию. Функция. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях. 2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q. III КОМПЛЕКС . К О Q- ЦИТОХРОМ С – ОКСИДОРЕДУКТАЗА III комплекс – комплекс цитохромов b-c 1 , кроме цитохромов в нем имеются 2 железо- серных белка. Всего насчитывается 11 полипептидных цепей общей молекулярной массой около 250 ка. Функция. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с. 2. Переносит 2 иона Н на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны КОМПЛЕКС ЦИТОХРОМ С – КИСЛОРОД - ОКСИДОРЕДУКТАЗА IV комплекс – цитохромы аа 3 или цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептид- ных цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Функция. Принимает электроны от цитохрома си передает их на кислород с образованием воды. Переносит 4 иона Н на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны КОМПЛЕКС комплекс – это фермент АТФ-синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы Одна группа формирует субъединицу о (произносится со звуком "о, а не "ноль" т.к олигомицин-чувствительная) – ее функция каналообра- зующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. Другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ. Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно х протонов Н + Р А БОТА КОМПЛЕКСОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ bНа основании вышеизложенного построена схема окислительного фосфорилирования 1. Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, те. обладает более положительным окислительно- восстановительным потенциалом. Это обеспечивает однонаправленное движение электронов. Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2 3. Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН 2 ) передают свои электроны вдыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода. 4. Поступающие вдыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Эта энергия используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмем- бранное пространство. Общие пути биологического окисления 86 5. Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит неслучайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения или, не совсем точно, пункты фосфорилирования. Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией Градиент получил название электрохимический или протонный градиент ( Δμ, "дельта мю. Он имеет две составляющие – электрическую ( ΔΨ, "дельта пси) и концентрационную ( ΔрН): Δμ = ΔΨ+ ΔрН 6. Протоны теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу (Н + -транспортирующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. РЕГУЛЯЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ bРабота дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль. Дыхательный контроль – это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (величину дыхания. В свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ и АДФ, количественная сумма которых в клетке постоянна (АТФ + [АДФ] = const). Возрастание протонного градиента возникает при исчерпании запасов АДФ и накоплении АТФ, те. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н не проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение электронов по цепи замедляется. Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН 2 на I и II комплексах и замедление катаболизма в клетке. Снижение протонного градиента возникает при активной работе АТФ-синтазы (те. прохождении ионов Н в матрикс. В этом случае градиент снижается, поток электронов возрастает, в результате повышается выкачивание ионов Н в межмембранное пространство. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН 2 (как источников электронов) и снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватде- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 87 гидрогеназный комплекс – активируются реакции катаболизма углеводов и жиров, как источника энергии. Таким образом, величина электрохимического градиента остается на некотором среднем уровне. РАЗОБЩИТЕ ЛИ Разобщители – это вещества, которые снижают величину электрохимического градиента, что приводит к увеличению скорости движения электронов по ферментам дыхательной цепи. В результате этого уменьшается синтез АТФ и возрастает катаболизм. Так как электрохимический градиент состоит из двух компонентов (электрического и химического, то существуют два принципиальных способа его уменьшить – нивелировать разность зарядов или разность концентрации ионов водорода. К разобщителям в первую очередь относят "протонофо- ры " – вещества переносящие ионы водорода. При этом уменьшаются оба компонента электрохимического градиента. Классическим протонофором является динитрофенол, жирораствори- мое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Протонофоры одновременно снижают электрическую и химическую составляющую протонного градиента, энергия которого рассеивается в виде тепла. Физиологическим протонофором является белок "термогенин", в изобилии имеющийся в клетках бурой жировой ткани (до 15% от всех белков митохондрий. Существенным отличием бурой жировой ткани от белой является большое количество митохондрий, которые придают клеткам буро-красный цвет. При охлаждении организма эти клетки получают сигналы по симпатическим нервами в них активируется расщепление жира – липолиз. Окисление жиров приводит к получению НАДН и ФАДН 2 , активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента. Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток мало, зато много термогенина. Благодаря ему, большая часть энергии ионов водорода рассеивается в виде тепла, обеспечивая поддержание температуры тела при охлаждении. Общие пути биологического окисления Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин. ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН 2 на кислород. Выделяют три основных группы ингибиторов действующие на I комплекс, например, амитал, ротенон, прогестерон, действующие на III комплекс, например, антимицин А, действующие на IV комплекс, например, сероводород (H 2 S), угарный газ (СО, цианиды. КОЭФФИЦИЕНТ РО Энергетическую ценность и выгодность окисления вещества можно подсчитать. Количество запасенной энергии при окислении того или иного соединения характеризует количество АТФ, а эффективность использования энергии вещества и ее захвата – коэффициент P/O www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Коэффициент РО – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФ-синтазой к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу НО, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи. Экспериментально установлено, что при окислении веществ с участием НАД- зависимых дегидрогеназ, соотношение количества включенного в АТФ фосфата относится к количеству использованных атомов кислорода как 3 к 1, те. коэффициент P/O равен трем. Аналогично для ФАД-зависимых дегидрогеназ коэффициент P/O равен двум. Для расчета РО при окислении какой-либо молекулы необходимо знать восстановленный эквивалент (молекула |