Главная страница
Навигация по странице:

  • Значение изучаемой темы

  • биохимия. Значение изучаемой темы


    Скачать 1.04 Mb.
    НазваниеЗначение изучаемой темы
    Дата20.05.2018
    Размер1.04 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлабиохимия.doc
    ТипДокументы
    #44360
    страница3 из 10
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

    Тема № 3. Биологическое окисление. Определение активности каталазы



    Значение изучаемой темы: Тканевое дыхание обеспечивает энергией весь организм. Нарушение процессов тканевого дыхания приводит к гипоэнергетическим состояниям, которые являются причиной многих патологических состояний.

    а.

    1. Основные понятия и положения темы

    1.1. Понятие о катаболизме, анаболизме, биологическом окислении


    Окисление - это отщепление от вещества электронов; восстановление - это присоединение электронов.

    Метаболизм - это обмен веществ. Он имеет две стороны: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - это расщепле­ние сложных органических веществ до более простых с выделением энергии. Анаболизм - это синтез сложных веществ из простых веществ с ис­пользованием энергии.

    Для поддержания гомеостаза (постоянства внутренней среды) в орга­низме постоянно вырабатывается энергия. Источником энергии является расщепление пищевых веществ (белков, жиров и углеводов), а также анало­гичных молекул самого организма до СО2, Н2О и NН3 (для азотсодержащих веществ).

    Под биологическим окислением понимают все окислительно-восстановительные реакции, происходящие в орга­низме. Наиболее важным видом окисления с энергетической точки зрения является дегидрирование суб­стратов с последующим взаимодействием отщепленного водорода с кислородом, полученным из атмосферы при дыхании, с образованием воды. В отличие от неживой при­роды, где энергия при горении веществ выделяется в виде света и тепла, в организме чело­века и животных энергия окислительно-восстановительных реакций используется на синтез АТФ, то есть переводится в химическую форму, а также выделяется в виде тепла.

    1.2. Этапы катаболизма


    1-й этап. На этом этапе макромолекулы расщепляются до своих мономеров (или строительных блоков). Так, поли­сахариды распадаются до моносахаридов (гексоз и пентоз); жиры - до глицерина и жирных кислот; белки - до ами­нокислот. Этот этап является специфическим, так как каждая макромолекула (полимер) своим набором ферментов расщепляется до моно­меров. 1-й этап катализируется ферментами класса гидролаз. Он локализо­ван в пищеваритель­ном тракте для пищевых (экзогенных) макромолекул, а для эндогенных (находящихся в клетках организма) - в основ­ном в лизосо­мах. Этот этап энергетической ценности не имеет. В нем выделяется менее 1% энергии, которая рассеивается в виде тепла.

    2-й этап. Является специфическим путем катаболизма. На этом этапе каждый из мономеров своим собственным путем превращается в одну из карбоновых кислот. Моносахариды, глицерин и некоторые аминокис­лоты превра­щаются в пируват. Жирные кислоты и часть аминокислот - в ацетил-КоА (активную уксусную кислоту). Некоторые аминокислоты превращаются в оксалоацетат или 2-оксоглутарат. 2-й этап происходит в митохондриях и цито­золе клеток. Образую­щаяся при этом энергия выделяется в виде тепла и используется на синтез АТФ.

    3-этап. Является общим для разных классов веществ. На этом этапе пируват в процессе окислительного декарбок­силирования превра­щается в ацетил-КоА. Ацетил-КоА, оксалоацетат и 2-оксоглутарат окисляются в цикле Кребса. За один оборот цикла Кребса образуются 2 молекулы СО2,. Водород, полученный в дегидрогеназных реакциях, присоединяется к НАД+ и ФАД с образованием НАДН и ФАДН2, которые окисляются в дыхательной цепи. Приэтом образуется вода, а выделившаяся энергия используется на синтез АТФ и рассеивается в виде тепла. Все реак­ции этого этапа локализованы в митохондриях.

    1.3. Окислительное декарбоксилирование пирувата


    Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) катализируется пируватдегидрогена­зой (ПДГ). ПДГ - это ком­плекс из трех ферментов, для работы которого требуются следующие вита­мины: В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), РР (никотинамид), пантотеновая и липоевая кислоты. ПДГ осуществляет декарбоксили­рование (отщепление карбоксильной группы) и окисление (отщепление водорода) молекулы пирувата.


    СН3 СН3




    С=О + НS-КоА + НАД+ С=О + СО2 + НАДН + Н+



    СООН S-КоА

    Пируват Ацетил-КоА

    Продукты реакции и их дальнейшие превращения:


    СО2. В основном выделяется с выдыхаемым воздухом, а также используется для карбок­силирования субстратов.

    Ацетил-КоА. Расщепляется в цикле Кребса до СО2 и Н2;

    НАДН. Окисляется в дыхательной цепи.

    Регуляция ПДГ: ПДГ может быть в двух формах: фосфорилированной (неактивной) и дефосфорилированной (активной). АТФ, НАДН, ацетил-КоА, жирные кислоты ингибируют ПДГ, инсулин активирует.

    1.4. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной ки­слоты)


    Ацетил-КоА, образованный в результате окисления жирных кислот и пировиноградной кислоты, в цикле Кребса распадается СО2 и Н2.

    Итоговое уравнение цикла Кребса:

    Ацетил-КоА + 3НАД+ + ФАД + 2Н2О + АДФ + Н3РО4 2СО2 + 3НАДН + ФАДН2 + АТФ

    В ходе цикла Кребса образуется сукцинил-КоА, который содержит макроэргическую связь и является первичным макроэргом. Гидролиз макроэргической связи со­пряжен с реакцией фосфорилирования АДФ, при этом образу­ется АТФ. Синтез АТФ за счет энергии, накопленной в субстрате, на­зывается субстратным фосфорилированием.


    Конечные продукты цикла Кребса и пути их использования:


    - СО2 выдыхается с воздухом, небольшая часть используется в реак­циях карбоксилирования.

    - НАДН и ФАДН2 окисляются в дыхательной цепи.

    - АТФ используется на различные виды работы:

    1) механическая работа (сокращение мышц, движение сперматозоидов, лейкоцитов);

    2) осмотическая работа или активный транспорт, то есть движение против градиента концентрации;

    3) химическая работа, когда энергия АТФ используется в биосинте­тических процессах и на активацию субстра­тов;

    4) электрическая работа (генерация биотоков);

    5) при передаче гормонального сигнала (для работы аденилатциклазы и протеинкиназы).

    Регуляция цикла Кребса


    Осуществляется путем влияния на ключевые ферменты: цитратсинтазу (начинает процесс), изоцитратдегидрогеназу (лимитирующий фермент), 2-оксоглутаратдегид­ро­геназу (фермент, стоящий на развилке).

    Цитратсинтазу активируют оксалоацетат и ацетил-КоА, ингибируют АТФ, НАДН, длинноцепочные ацилы-КоА, сукцинил-КоА.

    Изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом. Ее акти­вируют АДФ, Са2+, цАМФ. Ингибируют изоцитратдегидрогеназу АТФ, НАДН, НАДФН.

    2-оксоглутаратдегидрогеназу активируют Са2+ и цАМФ, ингибирует сукцинил-КоА.

    Цикл Кребса активируется под влиянием катехоламинов, глюкагона и йодтиронинов.

    Значение цикла Кребса:


    - катаболическое и энергетическое (цикл Кребса является общим конеч­ным путем распада для метаболитов всех классов соединений; в нем обра­зуется АТФ в результате субстратного фосфорилирования; он является главным поставщиком водорода для дыхательной цепи);

    - анаболическое или биосинтетическое. Промежуточные метаболиты цикла Кребса используются на синтез дру­гих соединений. Например, из оксалоацетата, 2-оксоглутарата и сукцината образуются аминокислоты; из окса­лоацетата - глюкоза и другие углеводы; сукцинил-КоА используется на синтез гема;

    - регуляторное. Метаболиты - цитрат и АТФ являются регуляторами других процессов. Они активируют син­тез жирных кислот и ингиби­руют гликолиз.


    1.5. Дыхательная цепь


    Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) - это цепь сопряженных окислительно-восстано­ви­тель­ных реакций, в ходе которых водород, отщеп­ленный от субстратов, переносится на кислород с образованием воды и выделением энергии. Назначение дыхательной цепи - генерирование энергии.

    Компоненты дыхательной цепи называются дыхательными переносчиками. Большинство из них (кроме убихинона) являются сложными белками.

    Схема дыхательной цепи


    Субстраты НАД-зав. Субстраты ФАД-зав.

    дегидрогеназ дегидрогеназ



    Характеристика дыхательных переносчиков:


    НАДН-дегидрогеназа (НАДН-ДГ) (в схеме - ФП) - это флавинза­висимый фермент, небелковой частью которого является ФМН и железо-серные центры. НАДН-ДГ встроена во внутреннюю мембрану митохонд­рий. Она осущест­вляет перенос водорода с НАДН вначале на ФМН с обра­зованием ФМНН2, затем переносит водород с ФМНН2 на железо-серные центры и только потом на КоQ, при этом последний восстанавливается до КоQН2.

    Таким образом, НАДН-ДГ ката­лизирует реакцию:


    НАДН-ДГ


    НАДН2 + КоQ НАД+ + КоQН2

    КоQ (убихинон) - это небелковый переносчик, растворимый в ли­пидах. Восстановленная форма убихинона (КоQН2) называется убихи­нол. Убихинон может перемещаться в липидной фазе внутренней мембраны митохондрий, пред­ставляя, таким об­разом, лабильный субстрат для ферментов встроенных в мембрану.

    Цитохромы (b, c1, c, a, а3) - это сложные белки, небелковой частью которых является гем, содержащий Fe3+. Прини­мая электрон, железо трех­валентное переходит в железо двухвалентное, отдавая электрон - переходит опять в трехва­лентное.
    Fe3+ + e- Fe2+

    Fe2+ - e- Fe3+
    Комплекс цитохромов b-c1 является ферментом (КоQН2 -дегидро-геназой). Он переносит электроны с КоQН2 на цитохром c, при этом железо цито­хрома восстанавливается до двухвалентного. Протоны атомов водорода выбрасываются в межмембранное пространство.
    Таким образом, осуществляется реакция:


    КоQН2

    КоQН2 + 2c(Fe3+) KoQ +2Н+ + 2c(Fe2+)
    Комплекс цитохромов a-a3 является оксидазой. Он переносит элек­троны с цитохрома c на кислород, превращая последний в ион (О2-). Цито­хромоксидаза катализирует реакцию:


    а-а3 aa3

    2c(Fe2+) + 1/2 О2 2c(Fe3+) + О2-
    Ионы кислорода и протоны водорода взаимодействуют с образова­нием воды.

    Перенос электронов по дыхательной цепи происходит по градиенту окисли­тельно-восстановительного потенциала (Ео). Окислительно-восста­новительный потенциал характеризует способность сопряженной окисли­тельно-восста­новительной пары обратимо отдавать электроны. Чем более отрицательна величина Ео, тем выше способность дан­ной пары отда­вать электроны, чем более положительна - тем выше способность принимать электроны. Величина Ео у пары НАДН/НАД+ -0,32в, Ео у пары Н2О/О2- +0,82в, при этом разность между этими величинами составляет 0,82-(-0,32)=1,14в. Этому соответствует разность свободной энергии - 220 кдж на пару перено­симых электронов. Этого количества энергии достаточно для синтеза 4 молекул АТФ. Однако в дыхательной цепи синтезируется только 3 АТФ. Синтез АТФ происходит в тех участках дыхательной цепи, где имеет место наибольший перепад окислительно-восстанови­тельного потенциала. В этих участках энергии выделяется столько, что ее достаточно для проведения реакции фос­форилирования АДФ.
    АДФ + Н3РО4 АТФ
    Таким образом, в дыхательной цепи синтез АТФ (фосфорилирова­ние) энергетически сопряжен с переносом элек­тронов, то есть окислением дыхательных переносчиков.

    Синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфо­рилированием.

    Участки дыхательной цепи, где есть такой синтез, называют пунк­тами сопряжения окисления с фосфорилирова­нием.

    Пункты сопряжения: между НАДН и КоQ, на участке цитохромов

    b - c1, и a - a3.

    Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 3 молекул АТФ, окисление 1 молекулы ФАДН2 - к образованию 2 молекул АТФ.

    Для работы цикла Кребса и дыхательной цепи требуются следую­щие витамины: В1, В2, РР, Q, пантотеновая и липое­вая кислоты.

    1.6. Механизм окислительного фосфорилирования


    Компоненты электрон-транспортной цепи (дыхательной цепи) находятся во внутренней мембране митохондрий (непроницаемой для протонов водорода). Они расположены таким образом, что, передавая электроны по цепи, одновременно выталкивают протоны водорода на наружную сторону мембраны в межмембранное пространство. В результате, на наружной стороне мембраны создается избыток протонов водорода (положительный заряд), а с внутренней стороны – недостаток (отрицательный заряд). Это проявляется в возникновении мембранного электрохимического потенциала Н+, который складывается из разности зарядов на мембране () и разности рН (снаружи более кислое, внутри – более щелочное). Протоны водорода могут возвращаться в матрикс по протонным каналам, с которыми связана специфическая Н+-АТФаза (АТФ-синтаза). Обратный ток протонов по каналам активирует этот фермент, и он катализирует синтез АТФ из АДФ и Н3РО4. Таким образом, энергия мембранного поценциала преобразуется в энергию макроэргической связи АТФ. АТФ с помощью фермента транслоказы переносится из митохондрий в цитозоль, где и ис­пользуется.

    1.7. Сопряжение и разобщение в дыхательной цепи


    Сопряжение в дыхательной цепи - это такое состояние, когда окис­ление (перенос электронов) сопровождается фос­форилированием, то есть синтезом АТФ.

    Разобщение - это такое состояние дыхательной цепи, когда окисле­ние идет, а фосфорилирование не происходит, то есть пункты фосфори­лирования выключены полностью или частично. В этом случае вся или какая-то часть обра­зующейся энергии выделяется в виде тепла. Сопряжен­ность дыхательной цепи можно оценить по коэффициенту Р/О. Коэффициент Р/О равен числу мо­лей АТФ, образующихся из АДФ и Н3РО4 , на 1 грамм-атом поглощенного кислорода.

    Разобщение в дыхательной цепи могут вызывать липофильные ве­щества, которые способны переносить протоны водорода с внешней сто­роны внутренней мембраны митохондрий на внутреннюю, минуя АТФ-синтазу. В ре­зультате вся энергия электрохимического потенциала будет рассеи­ваться в виде тепла.

    Разобщение вызывают: 2,4-ДНФ (динитрофенол), многие яды промышлен­ных производств, бактериальные токсины, набуха­ние митохондрий, жир­ные кислоты, ионофоры (вещества, переносящие ионы через мембрану).

    Разобщители повышают скорость переноса электронов по дыхательной цепи и выводят ее из под ингибирующего влияния АТФ.

    Регуляция дыхательной цепи


    1. АДФ стимулирует работу дыхательной цепи. Это явление называется дыхательным контролем.

    2. АТФ тормозит работу дыхательной цепи и потребление кислорода.

    3. Адреналин и глюкагон активируют работу дыхательной цепи.

    Блокаторы дыхательной цепи


    1. Ротенон блокирует дыхательную цепь на участке НАДН – КоQ.

    2. Амитал, антимицин - на участке между цитохромами b и c1.

    3. Цианиды и окись углерода блокируют цитохромоксидазу, при этом вся дыхательная цепь не работает.

    1.8. Нефосфорилирующее (свободное) окисление


    Это окисление без образования АТФ. Ферменты свободного окисления: оксидазы, оксигеназы, неко­торые дегидрогеназы.

    Значение свободного окисления:

    - терморегуляция;

    - образование биологически важных соединений (катехоламинов, глюкокорти­костероидов, коллагена, активация витамина Д и т.д);

    - обезвреживание ксенобиотиков (ядов, токсинов, лекарств, ве­ществ бытовой химии).

    1.9. Тканевые и возрастные особенности окислительных процессов


    Анаэробные ткани могут получать энергию без кислорода. К анаэробным тканям относятся скелетные мышцы, эритроциты, пери­ферические нервы, мозговое вещество почек, кость, хрящ, соединительная ткань.

    Аэробные ткани получают энергию с использованием кислорода и полностью зависят от кровотока. Аэробными тканями являются головной мозг, сетчатка глаза, сердце, кора почек, печень, слизистая тонкого кишечника.

    Потребление кислорода, а значит, и интенсивность окислительных процес­сов с возрастом падают.
    Диагностическое значение определения активности каталазы

    Каталаза содержится во всех тканях и жидкостях организма, но особенно много ее в строме эритроцитов и печени. В процессе окисления некоторых веществ образуется пероксид водорода, ядовитый для организма. Каталаза расщепляет пероксид водорода на молекулярный кислород и воду.

    Определение активности каталазы имеет значение для диагностики рака, анемии, туберкулеза. При этих заболеваниях активность каталазы снижается.

    б) Ситуационные задачи

    1. К препарату митохондрий добавили пируват, меченый 14С по метильной группе. Какое положение займет 14С в оксалоацетате после од­ного оборота цикла Кребса?

    2. Сколько молекул АТФ синтезируется при окислении одной молекулы пирувата до 2-оксоглутарата? Одной молекулы изоцитрата до сукцината? Одной молекулы сукцината до оксалоацетата? При условии, что дегидрогеназные реакции сопряжены с дыхательной цепью.

    3. Ротенон (токсичное вещество, вырабатываемое одним из видов растений) резко подавляет активность митохондриальной НАДН-дегидро­геназы. Токсичный антибиотик антимицин сильно ингибирует окисление убихи­нола. Допустим, что оба эти вещества блокируют соответствующие участки дыхательной цепи с равной эффектив­ностью. Какой из них будет при этом более мощным ядом? Дайте аргументированный ответ.

    4. Напишите реакции, которые ускоряются при введении в орга­низм кокар-боксилазы (активной формы витамина В1).

    5. Подберите каждому пронумерованному ферменту дыхатель­ной цепи соот-ветствующий кофермент, обозначенный буквами:

    1. НАДН-дегидрогеназа А. ФАД

    2. QН2 - дегидрогенза Б. гем

    3. Цитохромоксидаза В. ФМН

    4. Малатдегидрогеназа Г. гем, Сu2+

    5. Сукцинатдегидрогеназа Д. НАД+

    Е. НАДФ+

    6. Как отразится передозировка барбитуратами на потребление кислорода?

    7. 2,4-ДНФ (сильный разобщающий агент) пытались одно время исполь-зовать для борьбы с ожирением. Теперь такого рода разобщающие агенты уже не применяются в качестве лекарственных препаратов, поскольку из­вестны случаи, когда их применение приводило к летальному исходу. По­чему прием разобщающих агентов может вызвать смерть?

    8. Какую физиологическую функцию определяет величина Р/О?

    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


    написать администратору сайта