биохимия. Значение изучаемой темы

• Название: Значение изучаемой темы
• Дата: 20.05.2018
• Размер: 1.04 Mb.
• Имя файла: биохимия.doc
• Тип: Документы; #44359
• страница: 3 из 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:

СО_2. 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 КоQН_2.

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 (О^2-). Цито­хромоксидаза катализирует реакцию:


а-а₃ aa₃

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

Перенос электронов по дыхательной цепи происходит по градиенту окисли­тельно-восстановительного потенциала (Е_о). Окислительно-восста­новительный потенциал характеризует способность сопряженной окисли­тельно-восста­новительной пары обратимо отдавать электроны. Чем более отрицательна величина Е_о, тем выше способность дан­ной пары отда­вать электроны, чем более положительна - тем выше способность принимать электроны. Величина Е_о у пары НАДН/НАД⁺ -0,32в, Е_о у пары Н₂О/О^2- +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?