Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
Обновлено: 07.05.2024
Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
Водород на двух переносчиках (10 молекулах восстановленного НАД и двух молекулах восстановленного ФАД) направляется теперь к внутренней мембране митохондрий. Эта мембрана образует складки, так называемые кристы, увеличивающие площадь ее поверхности. Водород — это топливо. Мы уже отмечали, что при его окислении молекулярным кислородом образуется вода и выделяется энергия:
Часть этой энергии используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при окислительном фосфорилировании. Энергия не выделяется вся сразу в одной какой-нибудь реакции. Процесс разбит на ряд небольших этапов и среди них есть такие, на которых выделяется достаточно энергии для синтеза АТФ. Данная последовательность реакций известна как дыхательная цепь. В дыхательной цепи участвует ряд переносчиков водорода и электронов, заканчивается же она кислородом. Водород или электроны переходят от одного переносчика к другому, двигаясь в энергетическом смысле «вниз» до тех пор, пока на конечном этапе они не восстановят молекулярный кислород до воды. На каждом этапе выделяется некоторое количество энергии, причем в нескольких пунктах этот переход сопряжен с синтезом АТФ.
В подписи к рисунку сказано о дыхательной цепи несколько более подробно. На конечном этапе действует медьсодержащий переносчик, называемый цитохро-моксидазой. Цианид (или моноксид углерода) блокирует клеточное дыхание на этом этапе. Цианид связывается с медью, после чего кислород уже не может с ней соединиться.
На рисунке видно, что на каждую молекулу восстановленного НАД, поступающую в дыхательную цепь, при переходе водорода или электронов к кислороду образуются 3 молекулы АТФ. Однако на каждую молекулу восстановленного ФАД образуется всего лишь две молекулы АТФ, потому что восстановленный ФАД поступает в дыхательную цепь на более низком энергетическом уровне.
Общий баланс для дыхательной цепи приведен в таблице.
Суммарное уравнение для дыхательной цепи имеет вид:
Объединим два приведенных ниже уравнения, 1 и 2:
Итак, на каждую молекулу глюкозы, окисленную в процессе аэробного дыхания, образуется 38 молекул АТФ.
Общая схема процесса аэробного дыхания приведена на рисунке.
Окисление жирных кислот
Когда в качестве дыхательного субстрата используются липиды, они сначала гидролизуются до глицерола и жирных кислот, после чего от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты, так что на каждом этапе эта длинная молекула укорачивается на два атома углерода. Двууглеродная ацетильная группа соединяется с коферментом А и образовавшийся ацетил-КоА вступает, как обычно, в цикл Кребса. Из каждой молекулы жирной кислоты извлекается большое количество энергии: при окислении стеариновой кислоты, например, выход АТФ составляет 147 молекул. Неудивительно поэтому, что жирные кислоты — важный источник энергии. Около половины обычных энергетических затрат сердечной мышцы, скелетных мышц (в покое), почек и печени покрывается именно за счет окисления жирных кислот.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования (см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н + или восстановленного убихинона (QH 2 ) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н + и, соответственно, QH 2 ) и акцептора (О 2 ) реакция является высокоэкзергонической (см. с. 24). Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов (см. с. 128) и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.
А. Компоненты дыхательной цепи
Дыхательная цепь включает три белковых комплекса ( комплексы I, III и IV ), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа , принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза (см. с. 144) иногда называется комплексом V , хотя она не принимает участия в переносе электронов.
Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов , связанных с белками (см. сс. 108, 144). К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.
Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н + комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН 2 или флавопротеин (см. с. 166), При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон . Последний переносит электроны в комплекс III , который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с 1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с . Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu A и Cu B ) и гемы а и а 3 , через которые электроны, наконец, поступают к кислороду . При восстановлении О 2 образуется сильный основной анион О 2- , который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом .
Б. Организация дыхательной цепи
Перенос протонов комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация ионов H + , т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза (см. с. 144) позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ (см. с. 146).
Как уже упоминалось, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее обычно они не контактируют друг с другом, так как электроны переносятся убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря неполярной боковой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны.
Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цитратный цикл и β-окисление — самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O 2 и образование АТФ (ATP). Полученный АТФ переносится по механизму антипорта (против АДФ) в межмембранное пространство (см. с. 214), откуда через порины проникает в цитоплазму.
Дыхательная цепь, сопряженная с трансформацией энергии. Окислительное фосфорилирование
Различают 2 вида дыхательной цепи - 1) сопряженная с трансформацией энергии или окислительное фосфорилирование и 2) несопряженная с трансформацией энергии или свободное окисление.
Дыхательная цепь, сопряженная с трансформацией энергии локализована во внутренней мембране митохондрий. Она включает 4 ферментативных комплекса: I - НАДН(Н + ) - КоQ-оксидоредуктаза, II – сукцинат – КоQ-оксидоредуктаза, III - КоQ - цитохром с - оксидоредуктаза и IV- цитохромоксидаза. В процессе функционирования такой дыхательной цепи осуществляется перенос электронов от восстановленных коферментов НАДН(Н + ) и ФАДН2 к молекулярному кислороду, сопряженный с синтезом АТФ.
Источником НАДН(Н + ) и ФАДН2 являются дегидрогеназные реакции, протекающие по схеме:
SН2 + НАД + ® S + НАДН(Н + ) ; SН2 + ФАД ® S + ФАДН2
В качестве субстратов чаще всего выступают пировиноградная кислота, глутаминовая кислота, промежуточные метаболиты ЦТК (изолимонная кислота, -кетоглутаровая, яблочная).
Последовательность переноса электронов в дыхательной цепи от НАДН(Н + ) и ФАДН2 к молекулярному кислороду можно представить в виде схемы:
Сукцинат ® ФАДН2
железо-серный белок
НАДН(Н + ) ® ФМН ® железо-серный белок ® КоQ (убихинон) ® цитохром b ® железо-серный белок ® цитохром с1 ® цитохром с ® цитохром а ® цитохром а3 ® О2
Порядок расположения компонентов в дыхательной цепи зависит от величины их окислительно-восстановительного потенциала. Для каждого последующего компонента характерна более высокая окислительная способность.
В состав III и IV комплексов входят сложные белки из группы хромопротеинов - цитохромы. Их простетическая группа близка к гему и содержит железо. Однако в противоположность гемоглобину, имеющему двухвалентное железо, цитохромы содержат железо, которое может переходить из двухвалентного (восстановленного) в трехвалентное (окисленное) состояние и обратно.
Конечным акцептором электронов является О2. Восстановление кислорода до воды происходит по схеме:
2Н + + 2 е + 1/2 О2 ® Н2О или 4 Н + + 4 е + О2 ® 2 Н2О
Ионы Н + для образования воды берутся из матрикса митохондрий.
Согласно хемиосмотической теории П.Митчелла сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается градиентом электрохимического потенциала ионов водорода (рис. 3) m Н + , который состоит из двух компонентов - разности электрических потенциалов (j) и разности концентраций ионов водорода - рН. Перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны где, таким образом возрастает концентрация ионов водорода. В результате происходит генерирование DрН (защелачивание в матриксе и закисление с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны) и Dj (разности электрических потенциалов, причем та часть внутренней мембраны, которая обращена к матриксу, приобретает отрицательный заряд, а та, которая обращена к межмембранному пространству – положительный). Протонный градиент используется для синтеза АТФ, который осуществляется при помощи ферментного комплекса АТФ-синтазы в ходе обратного поступления протонов в митохондриальный матрикс.
Выброс протонов происходит в 3-х пунктах потока электронов по дыхательной цепи от НАДН(Н + ) к О2 – в I, III и IV комплексах; 1-й пункт - это НАДН(Н + ) – КоQ - оксидоредуктазный комплекс; 2-й пункт - КоQ - цитохром с - оксидоредуктазный комплекс; 3-й - цитохромоксидазный комплекс. Протонный градиент, генерируемый в каждом из этих пунктов при переносе одной пары электронов от НАДН(Н + ) к О2, используется для синтеза одной молекулы АТФ (АДФ + Н3РО4 ® АТФ ). Окисление одной молекулы НАДН(Н + ) дает 3 АТФ, тогда как окисление ФАДН2 - 2 АТФ (энергии, выделяющейся в процессе функционирования сукцинат-КоQ-оксидоредуктазного комплекса недостаточно для синтеза АТФ, т.е. трансформации энергии здесь не происходит).
Рис.3. Схема переноса протонов водорода в митохондриях.
Таким образом, окислительное фосфорилирование представляет собой процесс переноса электронов от восстановленных коферментов НАДН(Н + ) и ФАДН2 к молекулярному кислороду, сопряженный с синтезом АТФ. Окислительное фосфорилирование часто характеризуют отношением Р : О (число молей неорганического фосфата, использованного для синтеза АТФ в расчете на один атом потребляемого кислорода).
Скорость окислительного фосфорилирования зависит, в первую очередь, от содержания АДФ: чем быстрее расходуется АТФ для нужд организма, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и, следовательно, в синтезе АТФ. Накопление АТФ, естественно, сопровождается снижением содержания АДФ, скорость образования АТФ при этом также уменьшится. При ограниченной потребности в АТФ падает и скорость окислительного распада субстратов. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования содержанием АТФ называют дыхательным контролем.
Научная электронная библиотека
Гибкость стрессорных реакций зависит от функциональной взаимосвязи различных звеньев нейроэндокринных регуляторных механизмов и биоэнергетических процессов. Энергия, превращение энергии в организме, относится к числу тех явлений, с которыми все живые системы и различные биологические процессы, в том числе и процессы успешной адапатации, неразрывно и постоянно связаны и зависимы.
Жизнь может существовать и развиваться только за счет поступления свободной энергии. Этот приток энергии обеспечивается непрерывным обменом веществ между организмом и окружающей средой. Все что мы видим, слышим и чувствуем, есть проявление какой-либо формы энергии, которая трансформируется в организме человека и других живых системах из поступающих извне разнообразных питательных веществ, энергия в которых представлена в форме химических связей между атомами органических молекул.
Трансформированная из химической формы, энергия метаболизирующихся органических соединений используется для осуществления всех функций клеток и органов, для обеспечения всех физиологических процессов организма, для обеспечения механизмов адаптации к стрессу.
Процессы, трансформирующие энергию в клетке, главным образом, сосредоточены в митохондриях. В митохондрииях быстро и очень экономно осуществляется процесс окисления различных субстратов путем отщепления атома водорода (протон и электрон). Тем самым обеспечивается трансформация химической энергии окисляемых субстратов вначале в разность редокс-потенциалов и электрохимический мембранный потенциал, возникающий за счет градиента концентрации протонов на мембране, затем на процесс окислительного фосфорилирования, завершающийся синтезом АТФ (P. Mitchel, 1961, 1967, 1974).
Способность митохондрий в процессе окисления субстратов составлять градиент концентрации протонов на внутренней мембране, как унифицированной форме трансформации энергии химической связи в энергию электрохимического мембранного потенциала (Mitchell P., 1961, В.П. Скулачев, 1972), приводит к изменению рН внутренней срезы, что открывает возможность для некоторых ферментов включаться в регуляцию энергетического обмена. Одним из таких ферментов является Н+-АТФ-аза.
В этом процессе также участвуют ферменты, осуществляющие дегидрогеназную реакцию и перенос протонов и электронов на конечный акцептор – кислород. Все эти ферменты структурно организованы в дыхательную митохондриальную цепь:
В начале дыхательной цепи митохондрий находятся анаэробные дегидрогеназы, коферментом которых является НАД или НАДФ. К этой группе относятся дегидрогеназы окисляющие пируват, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, малат, глутамат, b-гидроксиацил-КоА и некоторые другие субстраты (SхH2). Далее располагаются НАДН-дегидрогеназа, относящаяся к флавиновым аэробным дегидрогеназам, кофермент которых ФМН. Здесь же к дыхательной цепи примыкают другие флавиновые дегидрогеназы с коферментом ФАД (сукцинатдегидрогеназа, глицерофосфатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа), окисляющие соответствующие субстраты (SmH2).
Всеобщим коллектором атомов водорода в дыхательной цепи является убихинон (КоQ). Далее дыхательная цепь представлена ферментами цитохромной системы: цитохром b, c1, c, a, a3. На уровне цитохрома С также возможно окисление субстратов (SnH2), например адреналин и аскорбат.
Перемещение электронов и протонов происходит по градиенту окислительно-восстановительного (редокс) потенциала, который отражает величину свободной энергии окисления в соответствующей редокс-системе. Величина редокс-потенциала компонентов дыхательной цепи возрастает от НАД (–0,32 в) до кислорода (+0,82 в). Общая разность редокс-потенциалов в дыхательной цепи составляет 1,14 в. Такое количество свободной энергии, высвобождающейся при переносе двух электронов от НАД Н2 на кислород достаточно для синтеза трех молекул АТФ.
Синтез АТФ осуществляется на уровне трех участков дыхательной цепи митохондрий, где имеется достаточной величины разность редокс-потенциалов. Первый участок находится между НАД и ФМН, где разность редокс-потенциалов равна 0,21 в, второй – между цитохромом b и с, разность 0,22 в и третий между цитохромоксидазой (а + а3) и кислородом, разность редокс-потенциалов равна 0,29 в.
При окислении одной молекулы субстрата на один атом поглощенного митохондриями кислорода может использоваться от одного до трех молекул фосфорной кислоты и синтезироваться при этом 1, 2 или 3 молекулы АТФ.
Зависимость скорости дыхания от фосфорилирования может быть нарушена различными физическими и химическими агентами. При этом транспорт электронов и поглощение кислорода митохондриями протекает независимо от фосфорилирования. Это явление получило название разобщения окислительного фосфорилирования.
Разобщение окислительного фосфорилирования имеет место и при некоторых постстрессорных функциональных состояниях оргнизма: при охлаждении голодании при переутомлении при травматическом шоке, инфаркте миокарда при тиреотоксикозе, опухолях, при рентгеновском облучении и радиационном поражении (К.П. Хансон, 1965, В.С. Петров и др., 1966).
Особое место в дыхательной цепи занимает сукцинатдегидрогеназа (СДГ), субстрат которой, янтарная кислота, способен «монополизировать» дыхательную цепь, обращать движение электронов на первом участке сопряжения дыхания и фосфорилирования.
На внутренней мембране митохондрий имеется фермент моноаминоксидаза (МАО), дезаминирующий биогенные амины с образованием аммонийного иона, который согласно многочисленным исследованиям способен, изменняя рН, включаться в регуляцию окислительного фосфорилирования, вызывая разобщение, блокировать цикл трикарбоновых кислот на уровне окисления альфа-кетоглутарата. Аммонийный ион снижает активность цитохромоксидазы, окисление сукцината, пирувата, лактата и АТФ-азы.
Источником аммиака в тканях момогут быть аденин, аденозин, АМФ, АДФ, НАД, а также амидные группы белков (Г.Х. Бунатян и др., 1967). Особое место в превращении адениловых нуклеотидов и аденозина занимают дезаминазы, которые способны не только приводить к образованию аммиака, но и выключать АМФ, АДФ и даже АТФ из системы регуляции дыхания и фосфорилирования.
Таким образом, энергетический обмен представляет собой сложный механизм катаболитических процессов, локализованных главным образом в митохондриях всех клеток, работающих как термодинамическая машина, извлекающая свободную энергию химически связей в процессе окисления субстратов и трансформирующих ее в электрохимический мембранный потенциал и затем в энергию химических связей макроэргических соединений.
В тоже время конкретное участие вышеперечисленных систем, характер их взаимоотношений в процессе формирования эмоционально-стрессорного состояния, прогностическое значение отдельных показателей и их комплексов остаются недостаточно изученными. В этом отношении недостаточно изучены нарушения биоэнергетических процессов при стрессе, обеспечивающих все уровни адаптационных механизмов.
Предположительно, что при действии на организм чрезвычайных раздражителей естественным образом происходит перестройка биоэнергетики клетки. В связи с высокой дифференцировкой клеток различных тканей и органов, отношение последних к энергетическим трансформациям неодинаково. Но вместе с тем, при стрессовых состояниях имеет место одинаковая направленность изменений энергетического обмена. Например, при травматическом шоке, при гипотермии, радиации, имеет место изменение функций митохондрий, разобщение окислительного фосфорилирования. Установлено, что неспецифические стрессовые нагрузки выводят энергетический обмен на границу физиологического уровня, переводя его в низкоэнергезированное состояние.
Показано, что одной из наиболее стойкой к повреждению является система окисления янтарной кислоты (сукцинатдгидрогеназа), которая, например, при инфаркте миокарда повреждается в меньшей степени и восстанавливается более полно, чем система НАД-зависимых дегидрогеназ (Т.В. Фетисова, Р.А. Фролькис., 1976). Авторы считают, что окисление янтарной кислоты становится основным энергодающим процессом, восполняющим ущерб запасов макроэргов при стрессорных поражениях миокарда.
Как было показано нашими исследованиями (С.О. Тапбергенов, 1987), при нейрогенном стрессе, вызванным трехчасовой электростимуляцией дуги аорты в митохондриях сердца почти вдвое возрастает активность сукцинатдегидрогеназы, фермента монополизирующего дыхательную цепь (табл. 7). При нейрогенном стрессе активируется терминальный фермент дыхательной цепи цитохром-с-оксидаза и фермент, ответственный за синтез и распад АТФ – Mg-активируемая АТФ-аза. Возростает активность АМФ-дезаминазы, контролирующий уровень АМФ и аденозина, увеличивается активность моноаминоксидазы А и В-типа (табл. 7).
Активность ферментов митохондрий сердца при нейрогенном стрессе, вызванным электростимуляцией дуги аорты
Дыхательная цепь: строение и функции. Окислительное фосфорилирование. - презентация
Презентация на тему: " Дыхательная цепь: строение и функции. Окислительное фосфорилирование." — Транскрипт:
1 Дыхательная цепь: строение и функции. Окислительное фосфорилирование.
2 Разнообразие метаболизма Энергию солнечного света способны улавливать зеленые растения и некоторые бактерии, которые преобразуют её в процессе фотосинтеза в химическую энергию, используемую для образования химических связей между атомами углерода, водорода и кислорода. Световая энергия запасается фотосинтезирующими организмами в виде энергии химических связей во вновь образующихся молекулах углевода и др. органических соединениях, которая, однако, не может использована для совершения работы до тех пор, пока эти химические связи не будут разорваны. Поэтому углеводы и др. соединения можно рассматривать как формы запасания поглощенной энергии Солнца, т.е. как биологическое топливо.
3 2-ой закон Термодинамики -при необратимых процессах энтропия системы и окружающей среды увеличивается системы стремятся к неупорядоченности ЭНТРОПИЯ (S) от греч. entropia -- поворот, превращение
4 Энтропия растет! мера беспорядка (случайности) в системе ( S )
5 ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. Пищевые вещества Метаболиты Катаболизм Анаболизм Энергия Образование конечных продуктов обмена (углекислого газа и воды, мочевина) Синтез структурно-функциональных компонентов клетки Функциональная активность Энергия .
6 АТФ Fritz Albert Lipmann ( ) ATP is energy-transfering molecule in the cell (1941) Karl Lohmann ( ) – the discoverer of ATP (1929)
7 В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ: АДФ + H3PO4 + энергия АТФ + H2O. Фосфорилирование АДФ возможно тремя способами: 1-субстратное фосфорилирование, 2-окислительное фосфорилирование, 3- фотофосфорилирование в процессе фотосинтеза у растений. Цикл АТФ АДФ + Ф Реакция фосфорилирования
8 АТФ у человека образуется в клетке двумя путями: - окислительное фосфорилирование: синтез АТФ с использованием энергии выделяемой при окислении S : Q – это энергия окисления субстрата - субстратное фосфорилирование: синтез АТФ с использованием энергии S ( макроэрга) Макроэргические соединения имеют макроэргические связи, т. е. связи, при гидролитическом расщеплении которых высвобождается более 30 к Дж/моль (или 7 ккал/моль) энергии.
9 Три способа анаэробного синтеза АТФ 1. Субстратное фосфорилирование- в процессе гликолиза в ходе фосфоглицераткиназной реакции и пируваткиназой реакции, в ЦТК в реакции катализируемой сукцинил-КоА-синтазой с участием нуклеозиддифосфаткиназы( реакции идут без участия кислорода). 2. Получение АТФ из фосфокреатина (это аварийный запас, который можно быстро использовать для получения АТФ и спасти жизнь), но запасы фосфокреатина расходуются очень быстро – за несколько секунд. 3. Образование АТФ из АДФ под действием аденилаткиназы.
10 Макроэрги - нуклеозидтрифосфаты, - нуклеозиддифосфаты, - креатинфосфат, - 1,3-дифосфоглицерат, - ацетил-КоА - фосфоэнолпируват и др.
11 Тканевое дыхание- это последовательность окислительно-восстановительных реакций Они катализируются оксидоредуктазами и протекают при участии внутренней мембраны митохондрий. В митохондриях поток электронов устремляется от субстрата, содержащего водород, к молекулярному кислороду. Реакция соединения водорода с кислородом сопровождается выделением большого количества тепла: Н2+1/2О2 2Н2О+Тепло(239 к Дж/моль) В клетке такая реакция протекать не может и отличием биологического окисления является, во первых постепенное, поэтапное выделение энергии, во вторых, окисляется не молекулярный водород, а в составе субстратов (SH2), в третьих энергия высвобождается не только в виде тепла, но и аккумулируется в виде электрохимического потенциала.
12 Синтез АТФ в организме сопряжен с реакцией образования воды Этот процесс происходит многостадийно с помощью многих участников, которые называются дыхательной цепью (ДЦ). Тканевое дыхание – окисление S кислородом воздуха до СО 2 и Н 2 О.
13 Общий путь катаболизма
15 Ферменты дыхательной цепи локализованы на внутренней мембране митохондриях- оксидоредуктазы.
16 Выделение энергии происходит постепенно, порциями. Дыхательная цепь Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
17 Митохондриальная цепь переноса электронов
18 Принцип работы дыхательной цепи: разделение потоков протонов и электронов, поступающих из матрикса. Электроны передаются на конечный акцептор кислород; протоны выбрасываются в митохондриальное межмембранное пространство (ММП).
19 Дыхательные ферменты расположены в порядке величины редокс - потенциала Место того или иного переносчика в ДЦ определяется величиной редокс-потенциала
20 Редокс-потенциал (Е о ) численно равен электрон движущей силе в Вольтах, возникающей между растворами окислителя и восстановителя (концентрации 1М, рН = 7,0, температура 25 С). Чем отрицательнее Е о системы, тем выше ее способность отдавать электроны (восстановители). Чем положительнее редокс-потенциал, тем выше способность вещества присоединять электроны (окислители).
21 Связь между транспортом электронов в ДЦ и синтезом АТФ: протонная АТФ - синтаза Дальнейшие исследования (Дж. Уокер, П. Бойер, Нобелевская премия 1997 г.) подтвердили предположения Митчелла.
22 ДЦ состоит из 5 ферментных комплексов: 1) НАДН - КоQ-редуктаза ( НАДН-дегидрогеназа) ; 2) сукцинат – КоQ-редуктаза ( сукцинатдегидрогеназа) ; 3) КоQ-цитохром c-редуктаза ( QH 2 -дегидрогеназа) ; 4) цитохром а –оксидаза; 5) АТФ-синтаза (или протонная АТФ-аза (Н + - АТФ-аза) и 2 подвижных переносчиков: убихинона и цит.С
24 Роль НАД -Перенос протонов и электронов от субстратов на ФАД (ФМН): -Связана с наличием в структуре НАД витамина В 5 (РР)
26 Роль ФАД (ФМН) Перенос протонов и электронов от НАДН 2 на убихинон Связана с наличием в структуре ФАД (ФМН) витамина В 2
27 Роль убихинона Перенос электронов от ФАДН 2 на цитохромы, а протонов – в межмембранное пространство.
28 Цитохромы b, c 1, c, a, a 3 Цит. (Fe 3+ ) + е Цит. ( Fe 2+ ) Коензим Q (убихинон ) Компоненты ДЦ RR железосерные белки (FeS-белки); цитохромы и железосерные белки переносят только электроны. Железосерные белки ассоциированы с ФМН, ФАД и цитохромом b.
29 Цитохромы (Цх) - гем содержащие ферменты, осуществляют перенос электронов за счет изменения степени окисления атома железа в составе гема. Fe 3+ + e - Fe 2+ Аутооксидабельность – способность передавать электроны непосредственно на кислород. Единственным аутооксидабельным является цитохром аа 3 – цитохромоксидаза. Цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц, каждая из которых содержит гем и атом меди. Ионы меди также могут переносить электроны: Cu 2+ + e - Cu +
30 I комплекс дыхательной цепи – НАДН- дегидрогеназа – ФМН-содержащий фермент. В комплекс входит также группа железо-серных белков. Субстрат: НАДН+Н +
31 II комплекс дых. цепи – ФАД-содержащий фермент -сукцинатдегидрогеназа Субстрат: сукцинат (янтарная кислота)
32 Убихинон, принимая электроны и протоны, переходит в восстановленное состояние (КоQН 2 ) УБИХИНОН (Коэнзим Q)
33 После КоQ в дыхательной цепи расположена группа цитохромов – гем-содержащих ферментов, обеспечивающих транспорт электронов. Различают несколько классов цитохромов: А, В, С, образующих организованные комплексы.
34 III комплекс дыхательной цепи – цитохромС- редуктаза. В состав комплекса входит цитохромы В + С 1, а так же группа железо- серных белков. Ко Q Н 2 е-е- н+н+ В + С 1 Железо-серные белки III комплекс ДЦ е-е- Цитохром С
36 IV комплекс дыхательной цепи – цитохромоксидаза (ЦХО). Цитохромоксидаза представляет комплекс цитохрома А + А 3, содержащий в своем составе Cu. Цитохром С е-е- А + А 3 Cu IV комплекс ДЦ О2О2 н+н+ е-е- н+н+ Н2ОН2О
37 Изменение свободной энергии при переносе электронов по ЦПЭ. E- FMN - комплекс I; E-FAD - комплекс II; b-с 1 - комплекс III; aa3 - комплекс IV
38 3Х7,3=21,9 ккал =3АТФ ΔG°=52,6 ккал
40 Хемиоосмотическая теория окислительного фосфорилирования (Нобелевская премия 1978 г.).
41 Хемиосмотическая теория П. Митчелла
42 Основные постулаты хемиосмотической теории: внутренняя митохондриальная мембрана (ВММ) непроницаема для ионов за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы ДЦ из матрикса «выкачиваются» протоны; возникающий на мембране электрохимический потенциал (ЭХП) и есть промежуточная форма запасания энергии; возвращение (транслокация) протонов в матрикс митохондрии через протонный канал V комплекса за счет ЭХП является движущей силой синтеза АТФ.
43 Хемиосмотическая теория П. Митчелла ( гг) Д ыхание и фосфорилирование связаны между собой через электрохимический потенциал Н + на митохондриальной мембране. Согласно Митчеллу, первичным событием в окислительном фосфорилировании является транслокация H + на наружную сторону внутренней митохондриальной мембраны, осуществляемую за счет окисления в дыхательной цепи. Процесс протекает следующим образом:
44 1. ДГГ НАДН 2 отдает пару ē на ДГГ ФАД, что позволяет ФАД принять пару протонов (Н + ) из матрикса с образованием ФАДН 2. Пара Н +, принадлежащих НАД выталкивается на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны. 2. ДГГ ФАДН 2 выталкивает пару Н + на наружную поверхность внутренней мембраны, а пару ē отдает на убихинон (Ух), который при этом получает способность присоединить пару Н + из матрикса с образованием УхН УхН 2 выталкивает пару Н + в межмембранное пространство, а ē переносятся через цитохромы на О 2 в матриксе. В итоге создается разница потенциалов и разница рН между поверхностями внутренней мембраны.
45 4. Разница потенциалов и разница рН обеспечивает движение протонов через протонный канал в матрикс. Протонный канал открывается, когда разность потенциалов превышает 0,2 В. 5. Движение протонов через протонный канал ведет к активации АТФ-синтетазы и синтезу АТФ из АДФ и Н 3 РО Транспорт АТФ из матрикса в цитоплазму обеспечивается специфическим переносчиком – транслоказой. Этот фермент катализирует перенос 1 молекулы АТФ с одновременным переносом в обратном направлении одной молекулы АДФ.
46 Таким образом, тканевое дыхание заряжает митохондриальную мембрану, а окислительное фосфорилирование разряжает ее, используя энергию мембранного потенциала для синтеза АТФ.
47 Энергетический эффект биологического окисления Пункты сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Синтез 1 моль АТФ 32 к Дж/моль. Е о не менее 0,26 В. IIV III
48 Дыхательный контроль Регулируется скорость работы дыхательной цепи энергетическим зарядом клетки, т. е. соотношением АТФ/АДФ. Эффективность окислительного фосфорилирования оценивают по коэффициенту фосфорилирования Р/О: количество молекул Ф, использованных для синтеза АТФ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Р/О 3 Для НАД-зависимых S - P/O =3; Для ФАД зависимых S - Р/О = 2
49 Синтез АТФ – окислительное фосфорилирование - представляет процесс одновременного потребления О 2, АДФ и Ф н. В пределах ДЦ этот процесс происходит трижды на уровне I, III и IV комплексов.
50 Функции дыхательной цепи: Транспорт электронов на О 2 – тканевое дыхание. Преобразование энергии транспорта электронов в энергию макроэргических связей АТФ.
51 Синтез АТФ происходит при участии фермента- АТФ-синтетазы (протонная АТФаза)
52 Коэффициент фосфорилирования (Р/О)- количество молекул неорганического фосфата, которое включается в АТФ в расчете на 1 атом кислорода При окислении НАДНН + может быть синтезировано 3 моля АТФ, то есть коэффициент фосфорилирования (Р/О)=3 При окислении ФАДН 2 может быть синтезировано 2 моля АТФ, то есть коэффициент фосфорилирования (Р/О)=2
53 Регуляция тканевого дыхания (транспорта электронов): Регуляция за счет концентрации О 2 Дыхательный контроль (зависимость митохондриального окисления от концентрации АДФ) Регуляция за счет ингибиторов, прерывающих поток электронов по дыхательной цепи.
54 Некоторые представители ингибиторов транспорта электронов
55 Регуляция синтеза АТФ: Регуляция протонного потока за счет разобщителей: - Протонофоры (динитрофенол, жирные кислоты, тироксин, катехоламины, термогенин) -ионофоры (валиномицин, грамицидин, ионы Са 2+), Регуляция за счет влияния на протонную АТФазу: - Ингибиторы фермента (олигомицин) - Детергенты (блокада протонного канала внутри фермента) (желчные кислоты, тритон и т.д.).
56 -субстраты цикла Кребса, -отношение [ATP]/[ADP] (обратимость АТФ-синтетазной реакции), -кислород (гипоксия), -физиологические разобщители (жирные кислоты, лизофосфолипиды, гормоны, ионы Са 2+, термогенин). Физиологические регуляторы окислительного фосфорилирования:
57 Особенности энергетического обмена у ребенка обусловлены его интенсивным ростом, биосинтетической деятельностью, функциональной незрелостью ряда регуляторных систем и формирующейся двигательной активностью. Наибольшие отличия энергетического обмена свойственны новорожденным. 1)Обмен энергии на единицу массы тела у новорожденных детей значительно (в 3 раза) выше, чем у взрослых. 2) У грудных детей значительная часть энергозатрат покрывается за счет липидов, а не углеводов, как у взрослых. 3) В течение 1-го года жизни происходит адаптация ребенка к легочному типу снабжения организма кислородом: анаэробные процессы окисления сменяются аэробными. 4) Наличие у новорожденных специфические механизмов термогенеза- «несократительный»термогенез, химическая терморегуляция (термогенин). 5) Формирование системы двигательного аппарата также нуждается в значительных энергетических затратах.
59 Общая характеристика митохондриальных болезней Митохондриальные болезни – это мультисистемные заболевания, причиной или главным элементом патогенеза которых является нарушение функций митохондрий тканей, вызванных мутациями митохондриальной или ядерной ДНК. В последние годы достигнут большой прогресс в понимании сущности этой большой группы расстройств, что привело к разработке путей их лечения, хотя в большинстве случаев эти заболевания не распознаются и не лечатся
60 Органы и системы, повреждаемые при митохондриальных болезнях Нервная система припадки, тремор, за- держка развития, глу- хота, деменция, инсу- льты в возрасте до 40 лет, нарушения равно- весия, проблемы с пе- риферическими нервами Сердце кардиомиопатии (сердечная недо- статочность, нару- шения проводи- миости Печень печеночная недоста- точность, Почки Синдром Фанкони (потеря эссенциальных метаболитов с мочой) Орган зрения птоз век, наруж- ная офтальмо- плегия, слепота, пигментный ретинит Скелетная мускулатура мышечная сла- бость, судороги Пищеваритель- ный тракт Кислотный реф- люкс, хронич. диа- рея, непроходи- мость кишечника Поджелудочная железа сахарный диабет
61 Первичные (врожденные) митохондриальные болезни могут быть обусловлены мутациями либо в ядерном, либо в митохондриальном геноме. Ядерные мутации могут искажать гены, кодирующие ферменты или структурные белки митохондрий, транслоказы, митохондриальный импорт белков, а также межгенную сигнализацию
63 Вторичные (приобретенные) митохондриопатии 1. Специфический дефицит метаболических интермедиатов или кофакторов (тиаминпирофосфата, липоамида, флавиновых и пиридиновых нуклеотидов, пантотената, коэнзима Q, карнитина и др.), а также снижение активности ферментов дыхательной цепи негенетического характера; 2. Эндокринопатии (гипоталамо-гипофизарная патология, патология щитовидной железы, поджелудочной железы, надпочечников) могут служить провоцирующим фактором развития митохондриопатий; 3. Ишемия-реперфузия. Гипоксия и ингибиторы митохондриального дыхания приводят к таким же изменениям метаболизма и функции тканей, которые имеют место при первичных митохондриопатиях [36]. Наиболее чувствительными к недостаточному снабжению кислородом являются строго аэробные ткани, такие как мозг, миокард или почка; 4. Химические, лекарственные и бактериальные токсины; 5. Онкогенез; 6. Старение.
64 Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования - состояние, при котором потребление кислорода и окисление субстратов продолжаются, а синтез АТФ невозможен. Наблюдается при наличии в клетке веществ, способных переносить протоны через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент концентрации рН, исчезает движущая сила фосфорилирования. При этом энергия переноса протонов и электронов рассеивается в виде тепла, поэтому температура тела повышается.
65 Виды разобщения 1) физиологическое (холод, тироксин, кортикостероиды, женские половые гормоны) 2) медикаментозное (дикумарин) 3) токсическое (динитрофенол)
66 Ингибиторы ТД и ОФ а) ингибиторы электронного транспорта – это вещества, которые взаимодействуют с ферментами дыхательной цепи и тем самым нарушают перенос электронов. Они являются клеточными токсинами, вызывают тканевую гипоксию. К ним относятся: 1. Барбитураты и ротенон (инсектицид) – блокируют НАД-ДГГ 2. Малоновая кислота – блокируют ФАД-ДГГ 3. Антимицин (антибиотик) – блокирует дыхательную цепь на уровне цитохром в – цитохром с. 4. Цианиды (ионы СN-), угарный газ (СО), сероводород (Н 2 S) – блокируют цитохромоксидазу и перенос электронов на кислород. б) ингибиторы окислительного фосфорилирования Олигомицин (антибиотик) – угнетает работу АТФ- синтазы (F о -фрагмент).
67 Микросомальное окисление Протекает в мембранах ЭПР (микросомах) клеток печени и коры надпочечников. Не дает клетке энергии Кислород непосредственно включается в субстрат с образованием новой гидроксильной группы в реакциях: 1) Гидроксилирования (пролина и лизина в синтезе коллагена, желчных кислот, холестерина, стероидных гормонов) 2) Обезвреживания токсичных веществ (эндогенных ядов, лекарственных препаратов и др.).
68 Схема микросомального окисления Для протекания реакций необходимы: 1)Ферменты монооксигеназы или диоксигеназы 2)НАДФ 3)Цитохром Р-450 4)ФАД 5)Белок адренодоксин (содержит в своем составе негемовое железо (Fe-Б)
69 Активные формы кислорода (АФК) Это продукты неполного восстановления кислорода, содержащие неспаренные электроны. АФК являются свободными радикалами. Свободные радикалы – агрессивные молекулы, способные атаковать другие молекулы с целью забрать недостающий электрон. К активным формам кислорода относят: 1)ОН - гидроксильный радикал; 2) О супероксидный анион; 3)Н 2 О 2 - пероксид водорода. Полное восстановление кислорода до воды требует 4-х электронов и катализируется цитохромоксидазой. О е Н + 2 Н 2 О Но присоединение электронов происходит поэтапно и при этом образуются АФК. О 2 + е - O 2 - (супероксидный радикал) O е - + 2H + H 2 O 2 H 2 O 2 + е - + H + H 2 O + HO (гидроперекисный радикал) HO + е - + H + H 2 O
70 Вспомогательные ферменты тканевого дыхания 1) Супероксиддисмутаза (превращает супероксидные радикалы в менее токсичную перекись водорода); 2О Н + Н 2 О 2 + О 2 2) Каталаза 2Н 2 О 2 2Н 2 О + О 2 3) Пероксидаза Н 2 О 2 + RН 2 2Н 2 О + R Роль каталазы и пероксидазы – разрушение перекиси водорода.
Читайте также: