Цепь биологического окисления синоним

Синонимы к словосочетанию «биологическое окисление»

Прямых синонимов не найдено.

Фраза «биологическое окисление»

Фраза состоит из двух слов и 22 букв без пробелов.

Синонимы к фразе «биологическое окисление»

Какие близкие по смыслу слова и фразы, а также похожие выражения существуют. Как можно написать по-другому или сказать другими словами.

Фразы

• + активный транспорт −
• + анаэробное окисление метана −
• + биологические катализаторы −
• + биологические мембраны −
• + биологическое окисление −
• + буферные системы крови −
• + градиент концентрации −
• + диоксид углерода −
• + дыхательная цепь −
• + животный крахмал −
• + заменимые аминокислоты −
• + избирательная проницаемость −
• + карбоксильная группа −
• + кетоновые тела −
• + кислотность среды −
• + кислотный остаток −
• + клеточное дыхание −
• + круговорот азота −
• + метаболические процессы −
• + незаменимые пищевые вещества −
• + обратное всасывание −
• + окисление жирных кислот −
• + окислительное фосфорилирование −
• + осмотическое давление −

Ваш синоним добавлен!

Написание фразы «биологическое окисление» наоборот

Как эта фраза пишется в обратной последовательности.

еинелсико еоксечиголоиб 😀

Написание фразы «биологическое окисление» в транслите

Как эта фраза пишется в транслитерации.

в армянской🇦🇲 բիոլոգիչեսկոե ոկիսլենիե

в грузинской🇬🇪 ბიოლოგიჩესკოე ოკისლენიე

в латинской🇬🇧 biologicheskoye okisleniye

Как эта фраза пишется в пьюникоде — Punycode, ACE-последовательность IDN

xn--90aegambpe0abe8a6e xn--e1aahbhhpd3a

Как эта фраза пишется в английской Qwerty-раскладке клавиатуры.

,bjkjubxtcrjtjrbcktybt

Написание фразы «биологическое окисление» шрифтом Брайля

Как эта фраза пишется рельефно-точечным тактильным шрифтом.

⠃⠊⠕⠇⠕⠛⠊⠟⠑⠎⠅⠕⠑⠀⠕⠅⠊⠎⠇⠑⠝⠊⠑

Передача фразы «биологическое окисление» на азбуке Морзе

Как эта фраза передаётся на морзянке.

– ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ – – – ⋅ – ⋅ ⋅ – – – – – ⋅ ⋅ ⋅ – – – ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ – ⋅ – – – – ⋅ – – – – ⋅ – ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ – ⋅ ⋅ ⋅ – ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Произношение фразы «биологическое окисление» на дактильной азбуке

Как эта фраза произносится на ручной азбуке глухонемых (но не на языке жестов).

Передача фразы «биологическое окисление» семафорной азбукой

Как эта фраза передаётся флажковой сигнализацией.

Остальные фразы со слова «биологическое»

Какие ещё фразы начинаются с этого слова.

• биологическое бессмертие
• биологическое влечение
• биологическое время
• биологическое выживание
• биологическое действие
• биологическое значение
• биологическое начало
• биологическое образование
• биологическое объяснение
• биологическое оружие
• биологическое поле
• биологическое понятие
• биологическое потребление кислорода
• биологическое происхождение
• биологическое равновесие
• биологическое развитие
• биологическое разнообразие
• биологическое родство
• биологическое рождение
• биологическое свойство
• биологическое старение
• биологическое существо
• биологическое существование
• биологическое тело

Ваша фраза добавлена!

Остальные фразы из 2 слов

Какие ещё фразы состоят из такого же количества слов.

• а вдобавок
• а вдруг
• а ведь
• а вот
• а если
• а ещё
• а именно
• а капелла
• а каторга
• а ну-ка
• а приятно
• а также
• а там
• а то
• аа говорит
• аа отвечает
• аа рассказывает
• ааронов жезл
• аароново благословение
• аароново согласие
• аб ово
• абажур лампы
• абазинская аристократия
• абазинская литература

Комментарии

@mphz 03.01.2020 16:27

Что значит фраза «биологическое окисление»? Как это понять?..

Ответить

@hidoyy 02.09.2022 13:50

1

Народный словарь великого и могучего живого великорусского языка.

Онлайн-словарь слов и выражений русского языка. Ассоциации к словам, синонимы слов, сочетаемость фраз. Морфологический разбор: склонение существительных и прилагательных, а также спряжение глаголов. Морфемный разбор по составу словоформ.

По всем вопросам просьба обращаться в письмошную.

11

Биологическое окисление

Биологическое
окисление – это
совокупность окислительно-восстановительных
превращений различных веществ в живых
организмах. Окислительно-восстановительными
называют реакции, протекающие с изменением
степени окисления атомов вследствие
перераспределения электронов между
ними.

Типы процессов
биологического окисления:

1)
аэробное
(митохондриальное) окисление
предназначено для извлечения энергии
питательных веществ с участием кислорода
и накоплении её в виде АТФ. Аэробное
окисление называется также тканевым
дыханием,
поскольку при его протекании ткани
активно потребляют кислород.

2) анаэробное
окисление
– это вспомогательный способ извлечения
энергии веществ без участия кислорода.
Анаэробное окисление имеет большое
значение при недостатке кислорода, а
также при выполнении интенсивной
мышечной работы.

3) микросомальное
окисление
предназначено для обезвреживания
лекарств и ядов, а также для синтеза
различных веществ: адреналина,
норадреналина, меланина в коже, коллагена,
жирных кислот, желчных кислот, стероидных
гормонов.

4) свободнорадикальное
окисление
необходимо для регуляции обновления и
проницаемости клеточных мембран.

Основным
путём биологического окисления является
митохондриальное,
связанное с обеспечением организма
энергией в доступной для использования
форме.
Источниками энергии для человека
являются разнообразные органические
соединения: углеводы, жиры, белки. В
результате окисления питательные
вещества распадаются до конечных
продуктов, в основном — до СО₂
и Н₂О
(при распаде белков также образуется
NH₃).
Выделяемая
при этом энергия накапливается в виде
энергии химических связей макроэргических
соединений, преимущественно – АТФ.

Макроэргическими
называются
органические соединения живых клеток,
содержащие богатые энергией связи. При
гидролизе макроэргических связей
(обозначаются извилистой линией ~)
высвобождается более 4 ккал/моль (20
кДж/моль). Макроэргические связи
образуются в результате перераспределения
энергии химических связей в процессе
обмена веществ. Большинство макроэргических
соединений являются ангидридами
фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ,
УТФ и т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ)
занимает центральное место среди веществ
с макроэргическими связями.

аденин – рибоза
– Р ~ Р ~ Р, где Р – остаток фосфорной
кислоты

АТФ находится в
каждой клетке в цитоплазме, митохондриях
и ядрах. Реакции биологического окисления
сопровождаются переносом фосфатной
группы на АДФ с образованием АТФ (этот
процесс называется фосфорилированием).
Таким образом, энергия запасается в
форме молекул АТФ и при необходимости
используется для выполнения различных
видов работы (механической, электрической,
осмотической) и для осуществления
процессов синтеза.

Система унификации субстратов окисления в организме человека

Непосредственное
использование химической энергии,
содержащейся в молекулах пищевых веществ
невозможно, потому что при разрыве
внутримолекулярных связей выделяется
огромное количество энергии, которое
может привести к повреждению клетки.
Чтобы пищевые вещества, поступившие в
организм, должны пройти ряд специфических
превращений, в ходе которых происходит
многостадийный распад сложных органических
молекул на более простые. Это даёт
возможность постепенного высвобождения
энергии и запасания её в виде АТФ.

Процесс превращения
разнообразных сложных веществ в один
энергетический субстратназывается
унификацией. Выделяют
три этапа унификации:

1. Подготовительный
этап протекает
в пищеварительном
тракте, а также в цитоплазме клеток
организма.
Крупные молекулы распадаются на
составляющие их структурные блоки:
полисахариды (крахмал, гликоген) – до
моносахаридов; белки – до аминокислот;
жиры – до глицерина и жирных кислот.
При этом выделяется небольшое количество
энергии (около 1%), которая рассеивается
в виде тепла.

2.
Тканевые превращения
начинаются в цитоплазме клеток,
заканчиваются в митохондриях. Образуются
ещё более простые молекулы, причём число
их типов существенно уменьшается.
Образующиеся продукты являются общими
для путей обмена разных веществ: пируват,
ацетил-коэнзимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат,
оксалоацетат и др. Важнейшим из таких
соединений является ацетил-КоА –
остаток уксусной кислота, к которому
макроэргической связью через серу S
присоединён коэнзим А — активная форма
витамина В₃
(пантотеновой кислоты). Процессы распада
белков, жиров и углеводов сходятся на
этапе образования ацетил-КоА, образуя
в дальнейшем единый метаболический
цикл. Для этого этапа характерно частичное
(до 20%) освобождение энергии, часть
которой аккумулируется в виде АТФ, а
часть рассеивается в виде тепла.

3. Митохондриальный
этап. Продукты, образовавшиеся на
второй стадии, поступают в циклическую
окислительную систему — цикл трикарбоновых
кислот (цикл Кребса) и связанную с
ним дыхательной цепи митохондрий. В
цикле Кребса ацетил-КоА окисляется до
СО₂и водорода, связанного с
переносчиками – НАД⁺·Н₂и
ФАД·Н₂. Водород поступает в
дыхательную цепь митохондрий, где
происходит его окисление кислородом
до Н₂О. Этот процесс сопровождается
высвобождением примерно 80% энергии
химических связей веществ, часть которой
используется на образование АТФ, а часть
— выделяется в виде тепла.

Этапы	Белки	Углеводы (полисахариды)	Жиры
I подготовительный; высвобождается 1% энергии питательных веществ (в виде тепла);	аминокислоты	глюкоза	глицерин, жирные кислоты
II тканевые превращения; 20% энергии в виде тепла и АТФ	ацетил-КоА (СН3-СО~SKoA)
III митохондриальный этап; 80% энергии (примерно половина — в виде АТФ, остальное — в виде тепла).	Цикл трикарбоновых кислот СО2 Дыхательная цепь митохондрий О2 Н2О

Классификация
и характеристика основных оксидоредуктаз
в тканях

Важной особенностью
биологического окисления является то,
что оно протекает под действием
определённых ферментов (оксидоредуктаз).
Все необходимые
ферменты для каждой стадии объединены
в ансамбли, которые, как правило,
фиксируются на различных клеточных
мембранах. В результате слаженного
действия всех ферментов химические
превращения осуществляются постепенно,
как на конвейере. При этом продукт
реакции одной стадии является исходным
соединением для следующей стадии.

Классификация
оксидоредуктаз:

1.
Дегидрогеназы
осуществляют
отщепление водорода от окисляемого
субстрата:

SH₂
+ A
→ S
+AH₂

В процессах,
связанных с извлечением энергии, наиболее
распространённый тип реакций биологического
окисления – дегидрирование,
то есть отщепление от окисляемого
субстрата двух атомов водорода и перенос
их на окислитель. В действительности
водород в живых системах находится не
в виде атомов, а представляет собой
сумму протона и электрона (Н⁺
и ē), маршруты движения которых различны.

Дегидрогеназы
являются сложными белками, их коферменты
(небелковая часть сложного фермента)
способны быть и окислителем, и
восстановителем. Забирая водород от
субстратов коферменты переходят в
восстановленную форму. Восстановленные
формы коферментов могут отдавать протоны
и электроны водорода другому коферменту,
который имеет более высокий
окислительно-восстановительный
потенциал.

1) НАД⁺—
и НАДФ⁺-зависимые
дегидрогеназы (коферменты
— НАД⁺
и НАДФ⁺
— активные
формы витамина РР).
Присоединяют
два атома водорода от окисляемого
субстрата SH₂,
при этом образуется восстановленная
форма — НАД⁺·Н₂:

SH₂
+ НАД⁺
↔ S
+ НАД⁺·Н₂

2) ФАД-зависимые
дегидрогеназы (коферменты
— ФАД и ФМН – активные формы витамина
В₂).
Окислительные способности этих ферментов
позволяют им принимать водород как
непосредственно от окисляющегося
субстрата, так и от восстановленного
НАДН₂.
При этом образуются восстановленные
формы ФАД·Н₂
и ФМН·Н₂.

SH₂
+ ФАД ↔ S
+ ФАД·Н₂

НАД⁺·Н₂
+ ФМН ↔ НАД⁺
+ ФМН·Н₂

3) коэнзим Q
или убихинон,
который может дегидрировать ФАД·Н₂
и ФМН·Н₂ и
присоединять два атома водорода,
превращаясь в КоQ·Н₂
(гидрохинон):

ФМН·Н₂
+ КоQ
↔ ФМН + КоQ·Н₂

2. Железосодержащие
переносчики электронов геминовой
природы –
цитохромы b,
c₁,
c, a, a₃.
Цитохромы – это ферменты, относящиеся
к классу хромопротеидов (окрашенных
белков). Небелковая часть цитохромов
представлена гемом,
содержащим железо и близким по строению
к гему гемоглобина.Одна
молекула цитохрома способна обратимо
принимать один электрон, при этом
меняется степень окисления железа:

цитохром(Fe³⁺)
+ ē ↔ цитохром(Fe²⁺)

Цитохромы a,
a₃
образуют комплекс, называемый
цитохромоксидазой.
В отличие от других цитохромов,
цитохромоксидаза способна взаимодействовать
с кислородом – конечным акцептором
электронов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Биологическое окисление

Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом. Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов SH₂ к терминальному акцептору — О₂. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью:

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков. SH₂ — исходный донор протонов и электронов; P — промежуточные переносчики; E1, E2, E3, E4 — ферменты окислительно-восстановительных реакций

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD⁺ (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков — цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁, С, А, А₃) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD — зависимой или FAD — зависимой. Если процесс начинается с NAD⁺ , то следующим переносчиком будет FMN.

Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи

Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся. Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее участниками. NAD — зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD⁺ является коферментом и выполняет роль акцептора водорода:

Коферменты дегидрогеназ

Символ 2Н⁺ означает два электрона и два протона, обычно переносимые в виде гидрид иона. В этом случае вместо терминов «донор электронов» и «акцептор электронов» иногда используют термины «донор или акцептор водорода». FAD — зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. NADH — дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент — FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят, называются флавопротеины. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Строго говоря, FMN не является нуклеотидом, так как флавиновая часть связана с рибитолом, а не с рибозой.

Убихинон (кофермент Q) — производное изопрена:

Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

Цитохромы — это гемопротеины — белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем:

Простетическая группа гема в структуре цитохромов

Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны.В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃. Гемовые группы цитохромов связаны с белковой частью донорно-акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками:

Связывание гема с белковой частью цитохрома С

В цитохромах С и С₁ дополнительные ковалентные связи формируются между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема. QН₂-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С₁. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С. Протоны после окисления QH₂ освобождаются в раствор.

Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а₃ (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃. Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а₃. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Белки, содержащие негеминовое железо. Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях, однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.

Биологическое окисление. Синтез АТФ

Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс – Н+-зависимая АТФ-синтаза seu Н+-зависимая АТФ-аза (два разных названия связаны с полной обратимостью катализируемой реакции), обладающий значительной молекулярной массой – более, чем 500кДа. Состоит из двух субъединиц: FO и F1.

F1 представляет из себя грибовидный вырост на матриксной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, FO же пронизывает эту мембрану насквозь. В толще FO расположен протонный канал, позволяющий протонам возвращаться обратно в матрикс по градиенту их концентраций.

F1 способна связывать АДФ и фосфат на своей поверхности с образованием АТФ — без затраты энергии, но обязательно в комплексе с ферментом. Энергия необходима лишь для освобождения АТФ из этого комплекса. Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал FO.

В дыхательной цепи сопряжение абсолютно: ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.

Но при синтезе АТФ сопряжение одностороннее: окисление может идти без фосфорилирования, а фосфорилирование без окисления никогда не идёт. Это означает, что система МтО может работать без синтеза АТФ, но АТФ не может быть синтезирована, если не работает система МтО.

Биологическое окисление.  Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ

Существование такого сопряжения доказывается тем, что можно ингибировать образование АТФ, не нарушая процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТФ восстанавливается.

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н⁺)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н⁺ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая — внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н⁺ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н⁺-АТФ-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны.

С опряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента

С труктура компонентов комплекса I, обеспечивающего функционирование «протонной помпы» при окислении NADH

Биологическое окисление. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ АТФ:

1. Синтез различных веществ.

2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na+,К+-АТФазу.

3. Механическое движение (мышечная работа).

Биологическое окисление. Цикл Кребса

Цикл Кребса — цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) является процессом окисления АцетилКоА — универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. Цикл Кребса протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В Цикле Кребса участвуют 5 витаминов В₁, В₂, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД⁺, КоА и липоата.

Основной функции Цикла Кребса является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических соединений.

Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования АК, липогенеза и синтеза гема. Интегрирует все виды обмена веществ.

Регуляция Цикла Кребса. Осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитрат ДГ, α-КГ ДГ и СДГ. Цикл Кребса ингибируется в основном НАДН₂ и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют цикл Кребса в основном НАД⁺ и АДФ.

Биологическое окисление. Реакции цикла Кребса

1). Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют ЩУК, НАД⁺; ингибируют АТФ, НАДН₂, Сукцинил-КоА, цитрат.

2). Аконитаза локализуется в матриксе митохондрий.

3). Окислительно-восстановительная реакция, самая медленная в ЦТК.

Изоцитратдегидрогеназа локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют АМФ, Са²⁺, АДФ, НАД⁺; ингибируют АТФ, НАДН₂.

4). Окислительно-восстановительная реакция.

α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД⁺, ФАД.

α-КГ ДГ активируется Са²⁺, ингибируется сукцинил-КоА, АТФ, НАДН₂.

5). Реакция субстратного фосфорилирования

6). Окислительно-восстановительная реакция.

Сукцинатдегидрогеназа, флавопротеин содержащий Fe₂S₂, связана с внутренней мембраной митохондрии. СДГ ингибирует ЩУК и Сукцинил-КоА,

7). Фумараза локализуется в матриксе митохондрий.

8). Окислительно-восстановительная реакция.

Малат ДГ локализуется в матриксе митохондрий.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют  с новой молекулой  Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь.

Биологическое окисление. Энергетический баланс одного оборота ЦТК

В 4 окислительно-восстановительных реакциях ЦТК образуются 3 НАДН₂ и 1 ФАДН₂, которые направляются далее в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования ДЦ из 1 НАДН₂ образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН₂ — 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН₂, 1 ФАДН₂ и 1 ГТФ получается 12 АТФ.

Биологическое окисление. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК,  лимоннокислый цикл, цикл Кребса)

ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях.  Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК.

В реакциях этого цикла участвуют четыре из девяти субстратов МтО.

Происходит серия дегидрогеназных реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).

На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

Итого за 1 оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО2 и Н2О, как конечные продукты обмена веществ.

СО2 образуется в ходе ЦТК дважды:

1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)

2. на четвертой стадии (окисление альфа-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу СО2, которая образуется до начала ЦТК  — при  превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО2,  образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая  выводится  из  организма.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК — ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК — главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО2 и Н2О.

2. ЦТК — это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):

• — из цитрата → синтез жирных кислот
• — из aльфа-кетоглутарата и ЩУК → синтез аминокислот
• — из ЩУК → синтез углеводов
• — из сукцинил-КоА → синтез гема гемоглобина

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

В ЦТК два ключевых фермента:

•  цитратсинтаза (1-я реакция)
• изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН2. Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала — синтез АТФ уменьшается.

Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот.

Биологическое окисление. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = ————————

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может меняться от 0 до 1. Обычно в норме величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.

Биологическое окисление. ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА

Никотинамидные дегидрогеназы находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитозоле. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому НАДН2, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных ЧЕЛНОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ. В митохондрию из цитозоля передается не сам НАДН2, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается  в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную  мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

    В клетках организма человека существуют 2 типа челночных механизмов.

1. МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ  челнок (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени.

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный НАД(!), поэтому в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ и не происходит потери энергии при переносе водорода. Для ткани печени малат-аспартатная система особенно важна, так как из митохондрии выводится Ацетил-КоА (в виде цитрата), а водород попадает в митохондрию (в составе малата).

Таким образом, происходит не только челночный транспорт водорода от  цитоплазматического НАД к митохондриальному, а и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме  Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

ЩУК может вернуться в цитоплазму и другим способом: она может вступить в реакцию трансаминирования с глутаминовой кислотой (СМОТРИТЕ РИСУНОК)

2. ГЛИЦЕРОФОСФАТНЫЙ челнок (встречается реже).

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный ФАД(!), и в митохондриях образуется 2 молекулы АТФ вместо 3-х — происходит потеря энергии при переносе водорода.

В клетке существует не только челночный транспорт водорода от цитоплазматического НАД к митохондриальному. Происходит и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода

Биологическое окисление. Историческая справка

Изучение окисления в организме было начато в 18 в. А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование БО (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР — А. Н. Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др.

В 1777г французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О₂. Так как горение и дыхание  сопровождаются  потреблением О₂ и выделение СО₂, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения:  оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи  А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию окисления», согласно которой молекула О₂ сначала активируется. Активация О₂ происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам – оксидазам. Активированный О₂ при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.

Теория «перекисного окисления» Баха нашла свое подтверждение, однако главный механизм БО оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о БО принадлежит русскому ученому ботанику и биохимику В.И. Палладину (1859-1922), который создал теорию «активации водорода». Он предположил, что окисление субстратов может происходить в 2 фазы:

1). Анаэробная фаза. В этой фазе особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH₂).

2). Аэробная фаза. Восстановленные хромогены RH₂ передают Н на О₂.

В последствии теория В.И. Паладина подтвердилась для процессов митоходриального окисления, а хромогены, принимающие участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются ферментами дегидрогеназами.

Биологическое окисление. Современные представления 

Согласно современной теории БО:

• Окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
• В аэробных организмах существует несколько путей использования О₂.
• Реакции БО необходимы в первую очередь для получения энергии в форме АТФ, а также для синтеза новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.
• БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения/отщепления: 1) 1 е^—; 2) 2е^— и 2Н⁺; 3) атомов кислорода.

Биологическое окисление (БО) совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают во всех живых клетках.

Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (Любые вещества, способные вступать в реакции окисления).

Тканевое дыхание – окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О₂ и выделением воды.

Субстрат тканевого дыхания – это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования. (Например, НАДН₂, ФАДН₂).

Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О₂ принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо.

Свободная энергия. Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ∆G. У катаболических реакций ∆G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анаболических реакций ∆G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции).

Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е_о‘), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Е_о‘ выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот.

Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у О₂. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания.

Биологическое окисление. Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется в несколько этапов:

1.      При переваривании в ЖКТ происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров, которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

2.      В ходе катаболизма мономеры (моносахара, жирные кислоты и аминокислоты) превращаются в универсальное вещество — Ацетил-КоА (исключение некоторые АК).

3.      Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в последовательных реакциях образуются субстраты тканевого дыхания: изоцитрат, α-КГ, сукцинат и малат.

4.      Окисление субстратов тканевого дыхания сопровождается восстановлением коферментов НАДН₂ и ФАДН₂, которые затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода в клетке

В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме:

1.      Оксидазный путь — окислительное фосфорилирование. Протекает в митохондриях, является основным источником АТФ  в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода.

2.      Монооксигеназный путь. Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. Используется для синтеза новых веществ (стероидные гормоны), обезвреживания ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР.

3.      Диоксигеназный путь. Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата. Используется для деградации АК и синтеза новых веществ.

4.      Пероксидазный и радикальный пути. Кислород участвует в образовании перекисей и активных радикалов, которые необходимы в пероксисомах для внутриклеточного пищеварения, разрушения макрофагами бактерий, вирусов, регуляции метаболизма и т.д. Перекиси и активные кислородные радикалы оказывают также повреждающее воздействие на структуры клеток и тканей, активируя ПОЛ. Разрушение перекисей и инактивация свободных радикалов осуществляется с помощью ферментативной и неферментативной антиокидантной системы.

Биологическое окисление. Типы оксидоредуктаз

В соответствие с путями потребления кислорода и катализируемыми реакциями, все оксидоредуктазы разделены на 5 групп:

1). Оксидазы удаляют Н из субстрата (S), используя в качестве акцептора Н только О₂, продуктом реакции является вода. Все оксидазы содержат медь. Например, цитохромоксидаза, последний фермент дыхательной цепи.

SН₂ + ½О₂ → S + Н₂О.

2). Аэробные дегидрогеназы, или ФАД зависимые оксидазы, относятся к металлофлавопротеинам (ФАД, ФМН, Fe, Cu, Mo), находятся в пероксисомах и наружной мембране митоходрий. Они отнимают Н от субстрата, и передают его на О₂ с образованием перекиси. Дегидрогеназа L-аминокислот (оксидаза L-аминокислот) в почках осуществляет окислительное дезаминирование. Ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза) превращает пурины в мочевую кислоту. Моноаминоксидазы (МАО) окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. Диаминоксидазы (ДАО) окисляют гистамин и другие диамины и полиамины. Образующаяся перекись бактерицидное действие.

SН₂ + О₂ → S + Н₂О₂

3). Анаэробные дегидрогеназы многочисленная группа, содержат в качестве коферментов НАДН₂, НАДФН₂, ФАД, ФМН, цитохромы. Они удаляют Н из субстрата, не используя в качестве акцептора протона О₂. Анаэробные дегидрогеназы  выполняют две главные функции: перенос Н с одного субстрата на другой в сопряженной ОВР и транспорт электронов в дыхательной цепи. Примеры ферментов: изоцитрат ДГ (НАДН₂), сукцинат ДГ (ФАДН₂), цитохромы в, с₁, с, а и а₃.

SН₂ + R → S + RН₂

4). Оксигеназы. Включают кислород в молекулу субстрата. Работают в составе мультиферментного комплекса, содержащего ФАД зависимую ДГ, Fe₂S₂-белок, цитохромы Р₄₅₀ или В₅. Этот комплекс встроен в мембрану ЭПР или внутреннюю мембрану митохондрий.

а) Монооксигеназы. Обеспечивают включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. В качестве восстановителей (R) используется НАДФН₂, НАДН₂ и аскорбат. Участвуют в синтезе стероидных гормонов, обезвреживании ксенобиотиков. Фен-4-монооксигеназа окисляет фен в тир. Пролингидроксилаза (аскорбат) гидроксилирует пролин в проколлагене.

SН + О₂ + RH₂ → SOH + Н₂О + R

б) Диоксигеназы. Обеспечивают включение молекулы кислорода в молекулу субстрата, окисляют циклические соединения с разрывом цикла. Например, триптофаноксигеназа, превращает триптофан в фенилкенуренин.

S + О₂ → SO₂

5). Гидроксипероксидазы разрушают перекиси водорода и органические перекиси. Ферменты пероксидаза и каталаза. Пероксидазы, содержат протогем, восстанавливают перекись до воды за счет хинонов, аскорбата или цитохрома с. Глутатионперосидаза, содержит селен, восстанавливает перекись до воды за счет глутатиона.

Н₂О₂ + RH₂ → 2Н₂О + R

Каталаза, гемопротеин, использует одну Н₂О₂ как донор е^—, а вторую Н₂О₂ как акцептор е^—, в результате образуется вода и молекула кислорода. Каталазы много в крови, костном мозге, слизистых оболочках, почках и печени.

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂.

Биологическое окисление. Варианты дыхательной цепи

1. ПОЛНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

В этой цепи окисляется небольшое количество субстратов, из которых главными являются четыре. Коэффициент Р/О=3.

СУБСТРАТЫ	НИКОТИНАМИДНЫЕ ФЕРМЕНТЫ, ИХ ОКИСЛЯЮЩИЕ
изолимонная кислота (изоцитрат)	Изоцитратдегидрогеназа
Яблочная кислота (малат)	Малатдегидрогеназа
Глутаминовая кислота (глутамат)	Глутаматдегидрогеназа
бета-гидроксиацил-КоА	бета-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа

Все ферменты полной цепи являются НАД-зависимыми дегидрогеназами.

2. СОКРАЩЕННАЯ (УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Известны два субстрата. Главным из них является сукцинат (янтарная кислота).

Сукцинатдегидрогеназа – это комплекс II, который в укороченном варианте цепи является начальным звеном окисления. В составе комплекса – простетическая группа ФАД и FeSII. От ФАД.Н2 два атома водорода переносятся на KoQ. Значит, первое звено, которое имеется в полной цепи — исключается. Перепад окислительно-восстановительного потенциала между ФАД и KoQ невелик. Поэтому переноса H+ в межмембранное пространство в этой точке не происходит. DmH+  также создается, но меньший, чем в полной цепи. Значит, меньше и эффективность фосфорилирования — коэффициент Р/О=2.

Аналогичным образом окисляется и второй субстрат – ацил-КоА (активная форма любой жирной кислоты):

3. МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ.

Она представлена только цитохромной  частью. Эксперименты показали, что здесь может быть окислен только один субстрат — аскорбиновая кислота, с участием фермента, восстановленные эквиваленты включаются в цепь на уровне цитохрома С цитохромоксидазы (цитохром аа3), но в реальных условиях такого окисления практически не происходит. Образуется вода и 1 молекула АТФ. Коэффициент Р/О=1.

Возможность такого окисления доказана в эксперименте in vitro. А в живой клетке аскорбиновая кислота обычно используется как донор водорода в системе окисления оксигеназного типа (реакции, катализируемые монооксигеназами: смотрите лекцию «Внемитохондриальное окисление»). Такие реакции с участием витамина «С» особенно важны для формирования белка коллагена, в котором за счет монооксигеназной реакции образуется гидроксипролин.

Биологическое окисление. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ И a-КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТ В МИТОХОНДРИЯХ

Этот вариант дыхательной цепи удлинен по сравнению с полной цепью за счет того, что первое звено катализируется не никотинамидным ферментом, а мультиферментным комплексом. Это единая надмолекулярная структура. В состав этого комплекса входят 3 фермента и 5 коферментов. Такой комплекс называется мультиферментным комплексом окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, и он окисляет два субстрата:

1. Пировиноградную кислоту (пируват, ПВК)

Окисляется с помощью ферментов пируватдегидрогеназного комплекса;

2. a-кетоглутаровую кислоту (a-КГ)

Окисляется с помощью ферментов a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса.

Оба комплекса ферментов работают одинаково. Они катализируют реакции    окислительного декарбоксилирования соответствующей a-кетокислоты.

Биологическое окисление. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

1-ю реакцию катализирует фермент ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА (Е1).

Простетической группой пируватдекарбоксилазы является тиаминдифосфат (ТПФ, тиаминпирофосфат, ТДФ) — это активная форма витамина В1. Активная часть ТПФ — тиазоловое кольцо и атом водорода в нем. Для краткости записывают: НС-ТПФ.

Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO2, а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ.

2-ю и 3-ю реакцию процесса катализирует фермент АЦИЛТРАНСФЕРАЗА (Е2). Простетическая группа ацетилтрансферазы — амид липоевой кислоты. Катализирует перенос оксиэтильного остатка на свой собственный кофермент (строение  ЛК  знать описательно по учебнику).  В ее  составе  есть  дисульфидная связь.

На этом этапе уже произошло окисление оксиэтильного остатка до остатка уксусной кислоты, одновременно с этим началось восстановление липоевой кислоты.

3 этап — продолжает работать фермент ацилтрансфераза.

На этой стадии фермент переносит остаток уксусной кислоты на молекулу кофермента А (КоА). В КоА содержится остаток пантотеновой кислоты (витамин В3). Активной частью КоА является остаток тиоэтаноламина и его -SH группа.

Выяснено, что этот фермент переносит не только остатки уксусной кислоты, но и остатки других кислот (нециклических). Поэтому его еще называют коферментом ацилирования.

Второй фермент данного комплекса является не только ацетилтрансферазой, но и окислительным ферментом одновременно (дегидрогенизирующая ацетилтрансфераза).

Энергия этого окисления аккумулируется в виде макроэргической связи активной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА).

4 этап катализируется  ферментом ДИГИДРОЛИПОИЛДЕГИДРОГЕНАЗОЙ.

Кофермент этого этапа — особый ФАД с низким окислительно-восстановительным потенциалом (обозначается как ФАД’). Переносит протоны и электроны с дигидролипоата на НАД — последний кофермент в описанном комплексе.

В итоге можем записать суммарное уравнение:

Аналогично действует ферментный комплекс для окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата. Но названия двух из трех ферментов другие:

1-й фермент — декарбоксилаза a-кетоглутаровой кислоты

2-й фермент — сукцинилтрансфераза (переносит остаток янтарной кислоты)

Суммарное уравнение для этого комплекса:

В результате действия этих двух комплексов, каждый из двух приведенных субстратов (ПВК  и  a-КГ) — теряют СО2, два протона и два электрона, которые передаются на   кислород с образованием Н2О и параллельно происходит фосфорилирование трех  молекул АТФ. Сами субстраты превращаются в итоге в активную форму соответствующей кислоты.

Макроэргическая связь в молекулах этих активных форм может легко   трансформироваться в макроэргическую связь молекулы АТФ. Например, для молекулы сукцинил-КоА:

Такой способ образования АТФ, когда нет сопряжения с процессами     окисления, называется СУБСТРАТНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ (при этом используется макроэргическая связь в молекуле какого-нибудь субстрата). В организмах высших животных и человека этот путь получения АТФ не является главным. Благодаря такому механизму окислительное декарбоксилирование a-кетокислот может считаться энергетически более выгодной, потому что образуется вещество с макроэргической связью — ацетил-КоА. Некоторые   синтетазы  используют  макроэргические связи из Ацетил-КоА или Сукцинил-КоА для реакций биосинтеза.

Например, при синтезе гема гемоглобина используется часть молекул сукцинил-КоА:

Большая часть будет все же использоваться для синтеза ГТФ.

Другой продукт окислительного декарбоксилирования (Ацетил-КоА) может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, стероидов. А самая большая часть этого вещества используется при синтезе лимонной кислоты в реакциях Цикла Трикарбоновых Кислот.

Биологическое окисление. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ УДЛИНЕННОЙ ЦЕПИ.

Образуются 3 молекулы АТФ путем окислительного фосфорилирования. Продукты окислительного декарбоксилирования (ацетил-КоА и сукцинил-КоА) содержат макроэргическую связь. Энергия макроэргической связи сукцинил-КоА используется двумя способами.

1. Субстратное фосфорилирование в ЦТК (так расходуется большая часть этого вещества).
2. Реакции синтеза гема (меньшая часть сукцинил-КоА).

Энергия макроэргической связи Ацетил-КоА используется только в реакциях синтеза:

• Синтез лимонной кислоты (цитрата).
• Синтез кетоновых тел
• Синтез жирных кислот
• Синтез холестерина

Среди субстратов МтО почти нет веществ, которые организм получает с пищей — только глутаминовая кислота.

Субстраты МтО — в основном органические кислоты, которые образуются в организме в процессе катаболизма. В процессе катаболизма из большого количества разнообразных пищевых веществ образуется всего 2 вида общих метаболитов: Ацетил-КоА и ПВК.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода

Биологическое окисление. ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ 

Оксигеназы это ферменты, которые катализируют включение кислорода в молекулу субстрата. Оксигеназы работают в составе мультиферментных комплексов, встроенных в мембрану и участвуют в синтезе и деградации многих типов ме­таболитов. По способу включения кислорода их делят на: монооксигеназы и диоксигеназы.

Монооксигеназные реакции

Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН₂, НАДН₂, реже витамин С:

S-Н + О₂ + RH₂ → S-ОН + Н₂О + R  (где R = НАДФН₂, НАДН₂, витамин С)

Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии.

1. Микросомальные монооксигеназные системы

Катализируют низкоспецифичные реакции. Эти монооксигеназы функционируют в комплексе с различными ЦПЭ:

А. Цепь НАДФН₂-Р₄₅₀ редуктаза – Цитохром Р₄₅₀

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДФН₂.

Субстратами являются гидрофобные вещества экзогенного (лекарства, ксенобиотики) и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и т.д.) происхождения.

Регуляция активности осуществляется индукцией синтеза ферментов. Открыто более 250 веществ-индукторов (барбитураты, спирты, кетоны, стероиды, ароматические углеводороды).

_.НАДФН₂-Р₄₅₀ редуктаза. Цитозольный домен содержит 2 кофермента ФАД и ФМН, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДФН₂-Р₄₅₀ редуктаза переносит  электроны с НАДФН₂ на цитохром Р₄₅₀.

Цитохром Р₄₅₀ – интегральный гемопротеин, содержит простетическую группу гем, имеет участки связывания для О₂ и субстрата. Открыто 150 генов, кодирующих различные изоформы цитохрома Р₄₅₀. Каждая из изоформ Р₄₅₀ имеет много субстратов и отличается от других изоформ Р₄₅₀ только белковой частью.

Цитохром Р₄₅₀ передает 2 электрона на 1 атом молекулы кислорода, который превращается в О^2-, при взаимодействии с 2 протонами О^2- дает воду. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя ROH.

Б. Цепь НАДН₂-цитохром b₅ редуктаза – Цитохром b₅ – стеароил-КоА-десатураза

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДН₂.

НАДН₂-цитохром b₅ редуктаза – двухдоменный белок, цитозольный домен содержит ФАД, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДН₂-b₅ редуктаза переносит электроны с НАДН₂ на цитохром b₅.

Цитохром b₅. Цитозольный домен содержит гем, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. Цитохром b₅ может передавать свои электроны на различные ферменты (цитохром Р₄₅₀,  Стеароил-КоА-десатуразу и т.д.), образуя различные ЦПЭ, при этом он участвует в десатурации и элонгации жирных кислот, в синтезе холестерина, плазминогенов и церамида.

Стеароил-КоА-десатураза – интегральный фермент, содержит негеминовое железо. Катализирует образование 1 двойной связи между 9 и 10 атомами углерода в жирных кислотах. Стеароил-КоА-десатураза переносит электроны с цитохрома b₅ на 1 атом кислород, при участии протонов этот кислород образует воду. Второй атом кислорода включается стеариновую кислоту с образованием её оксиацила, который дегидрируется до олеиновой кислоты.

Биологическое окисление. Митохондриальные монооксигеназные системы

Митохондриальные монооксигеназные системы локализованы на внутренней поверхности внутренней мембране митохондрий и катализируют высокоспецифичные реакции.

Компонентами этих систем могут быть: НАДН₂-зависимые ФАД-содержащее редуктазы, Fe₂S₂-белки (адренодоксин), цитохромы Р₄₅₀, b₅, элонгазы и т.д.

Митохондриальные монооксигеназные системы:

·         в коре надпочечников, семенниках, яичниках и плаценте участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина (гидроксилирование по С₂₂ и С₂₀ при отщеплении боковой цепи и по положениям 11β и 18);

·         в почках участвуют в синтезе 1,25-диоксихолекальциферола (Витамин Д₃) из 25-гидроксихолекальциферола;

·         в печени участвуют в синтезе желчных кислот из холестерина;

·         в соединительной ткани участвуют в гидроксилировании пролина в оксипролин в молекуле коллагена (пролингидроксилазы). Донором протонов и электронов является витамин С. С оксипролином зрелый коллаген приобретает механическую прочность.

Биологическое окисление. Диоксигеназные реакции

Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода:

S + О₂ → SО₂

Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР.

Гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe²⁺, участвует в катаболизме тирозина:

L-триптофандиоксигеназа печени, содержит гем, участвует в катаболизме триптофана:

Биологическое окисление. ПЕРОКСИДАЗНЫЙ И РАДИКАЛЬНЫЙ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Кислород — потенциально опасное вещество. Молекулярный О₂ является бирадикалом (˙О::О˙), но он стабилен так как, 2 неспаренных е^— внешней орбиты имеют параллельные спины, (подавляют радикальную активность друг друга).

Кислород в составе молекулы Н₂О стабилен, потому что его внешняя электронная орбита укомплектована е^— (Н:О:Н). Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода (АФК). К активным формам кислорода относятся свободные радикалы кислорода и перекиси. Свободный радикал — свободный атом или частица с неспаренным электроном.

Образование активных форм кислорода

АФК во многих клетках образуются в основном в ферментативных и неферментативных реакциях в результате последовательного присоединения  е^— к кислороду:

1)      О₂ + 1е^— → О^∙₂ супероксидный анион-радикал (˙О::О:).

2)      О^∙₂ +1е^— → О^2-₂ пероксидный анион (:О::О:), он быстро протонируется с образованием перекиси водорода О^2-₂ + 2Н⁺ → Н₂О₂ (Н:О::О:Н)

3)      Н₂О₂ + 1е^— → НО^∙ + ОН^— гидроксильный радикал, ОН^— протонируется с образованием воды ОН^—  + Н⁺ → Н₂О

4)      ОН^∙ + 1е^— → Н₂О (Н:О:Н)

В организме донорами электронов являются:

1). ЦПЭ. Утечка электронов из ЦПЭ на кислород является основным путем образования активных форм кислорода в большинстве клеток:

a)      В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 электрон превращается  в свободный радикал семихинон НQ^∙, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O₂ → Q+ О^∙₂ + H⁺;

b)      в монооксигеназных реакциях электрон с цитохрома Р₄₅₀ переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.

c)      Аэробные дегидрогназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят электроны и протоны с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз — оксидазы амино­кислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, лока­лизованные в пероксисомах.

2). Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe²⁺ или ионов других пе­реходных металлов катализирует обра­зования гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина спо­собствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe²⁺) + O₂ → MetHb(Fe³⁺) + О^∙₂

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + HO^— + HO· (реакция Фентона)

HOCl + Fe²⁺ →  Fe³⁺ + Cl^— + HO· (реакция Осипова)

3). Радикалы. Активные формы кислорода, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О^∙₂ + Н₂О₂ → О₂ + НО^∙ + ОН^—

Активные формы кислорода в организме также могут образовываться при гомолитическом разрыве связей под действием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение вызывает например, радиолиз воды с образованием Н₂; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н^·,  НО^∙, О^·. Это процесс в основном происходит на поверхности тела — в коже (понятие фотостарения).

Биологическое окисление. Ферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать ЦПЭ. Утечка е^— из ЦПЭ на кислород является основным путем образования АФК в большинстве клеток:

1. В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 е^— превращается  в свободный радикал семихинон НQ^∙, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O₂ → Q+ О^∙₂ + H⁺;
2. в монооксигеназных реакциях е^— с цитохрома Р₄₅₀ переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.
3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят е^— и Н⁺ с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз — оксидазы амино­кислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, лока­лизованные в пероксисомах.

Неферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать:

1). Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe²⁺ или ионов других пе­реходных металлов катализирует обра­зования АФК. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина спо­собствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe²⁺) + O₂ → MetHb(Fe³⁺) + О^∙₂

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + HO^— + HO· (реакция Фентона)

HOCl + Fe²⁺ →  Fe³⁺ + Cl^— + HO· (реакция Осипова)

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О^∙₂ + Н₂О₂ → О₂ + НО^∙ + ОН^—

АФК также могут образовываться в организме неферметативно при гомолитическом разрыве связей под действием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение вызывает например, радиолиз воды с образованием Н₂; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н^·,  НО^∙, О^·. Это процесс в основном происходит на поверхности тела — в коже (понятие фотостарения).

Биологическое окисление. Свойства активных форм кислорода

Кислородные радикалы, обладая высокой активностью, разрушают органические молекулы в реакциях свободно-радикального окисления (СРО). Большая часть этих реакций протекает с полиненасыщенными жирными кислотами липидов, и называется перекисным окислением липидов (ПОЛ). Реакции ПОЛ являются цепными.

Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал —  сильнейший окислитель. Время его жизни очень короткое (1 миллиардная доля секунды), но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования.

Супероксидный анион-радикал и перекись водорода более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток. Однако, перекись водорода способствует образованию гидроксильного радикала по следующей реакции:

Fe²⁺ + Н₂О₂ → Fe³⁺ + НО^∙ + ОН^—

Биологическое окисление. Использование активных форм кислорода в организме

1. Иммунная система. АФК используются фагоцитарными клетками — тканевыми макрофагами, моноцитами и гранулоцитами крови для разрушения бактерий, вирусов и онкоклеток.

• Фагоциты с участием НАДФН₂-оксидазы выделяют супероксидный анион-радикал: НАДФН₂ + 2O₂ → НАДФ⁺ + 2О^∙₂ + 2Н⁺
• Под действием супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в перекись водорода: 2О^∙₂ + 2H⁺ →  H₂O₂+ O₂
• Под действием миелопероксидазы H₂O₂, превращается в гипохлорит – соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток: H₂O₂ + Cl^— → H₂O + ClO^—.

Метаболический взрыв.

В условиях патологии могут произойти нарушения либо системы защитных ферментов (в частности, снижение активности СОД), либо ферментных систем, связывающих ионы железа в плазме крови (церулоплазмин и трансферрин) и в клетках (ферритин). В этом случае супероксидные радикалы и перекись водорода вступают в альтернативные реакции: Образование двухвалентного железа из трехвалентного: Fe³⁺ + O^•- → Fe²⁺ + O₂

Реакция перекиси водорода и гипохлорита с ионами двухвалентного железа:

При дефиците в клетках СОД, ферритина, а в плазме церулоплазмина, трансферрина активируются альтернативные реакции:

• Fe³⁺ + О^∙₂  → Fe²⁺ + O₂
• Fe²⁺ + H₂O₂ →  Fe³⁺ + НО^∙ + ОН^—
• Fe²⁺ + ClO^— + H⁺ →  Fe³⁺ + Cl^— + НО^∙

Фактор некроза опухоли

2. Поддержание гомеостаза.

Эйказаноиды – медиаторы воспаления

3. Внутриклеточное пищеварение. В пероксисомах образуются АФК. Когда пероксисомы сливаются с фагосомами, АФК обеспечивают внутриклеточное пищеварение.

Биологическое окисление. Повреждающее действие активных форм кислорода в организме

Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызывают повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. В белках происходит неферментативное окисление аминокислотных остатков гистидина, цистеина, триптофана. Таким образом, инактивируют многие ферменты. Особенно тяжелые последствия имеют повреждение ДНК и липидов. Радикалы НО^∙ вызывают разрыв нитей ДНК, обладая, в зависимости от ситуации, мутагенным, канцерогенным или цитостатическим действием. Радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию ПОЛ, при этом нарушаются физико-химические свойства мембран — проницаемость, рецепторная функция и работа мембранных белков. Повреждение барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций. Свободно-радикальные реакции часто вызывают гибель клеток и целом ускоряют процесс старения организма.

Биологическое окисление. Антиоксидантные клетки

Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

1. Ферментативная антиоксидантная система

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супе-роксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р₄₅₀ и пероксисом особенно велико.

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О^∙₂ + 2H⁺ →  H₂O₂+ O₂

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu²⁺ и Zn²⁺) и в митохондриях (Mn²⁺) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД — индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза — геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н₂О₂ →  H₂O+ O₂

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза — обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (у-глутамилцистеинилглицин): Н₂О₂ + 2 GSH → 2 Н₂О + G-S-S-G. Глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен.

Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН₂:

GS-SG + НАДФН₂ →  2 GSH + НАДФ⁺.

Недостаток глутатиона в клетках, например эритроцитах, который может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы приводит к активации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий.

Фосфолипаза в мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу (LOOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.

2. Неферментативная антиоксидантная система

«Липидные антиоксиданты» — производные фенола, способны инактивировать свободные радикалы в гидрофобном слое мембран и предотвращать развитие ПОЛ. К ним относится α-токоферол (витамин Е), убихинон (коэнзим Q), тироксин и синтетические соединения, например ионол (бутилированный гидрокситолуол).

Витамин Е (α-токоферол) самый распространённый липофильный антиоксидант, он обеспечивает защиту мембран от СРО. Различают 8 типов токоферолов, но α-токоферол наиболее активен. α-Токоферол отдаёт атом водорода радикалу липида ROO^∙, восстанавливает его до гидропероксида (ROOH), а сам превращается в малоактивный свободный радикал, что прерывает ПОЛ:

Регенерацию α-токоферола осуществляет витамин С.

Свободный радикал витамина Е стабилен и не поддерживает ПОЛ, он взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливает их, а сам превращается в стабильную окисленную форму — токоферолхинон.

Витамин С ингибирует СРО с помощью двух различных механизмов:

1). восстанавливает в мембранах токоферолхинон до витамина Е:

НО-аскорбат-ОН + α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН + НО-аскорбат-О· (семидегидроаскорбиновая к-та)

НО-аскорбат-О· + α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН + О=аскорбат=О (дегидроаскорбиновая к-та)

Регенерация аскорбиновой кислоты идет с участием ферментативных систем:

а). В микросомах, с участием комплекса НАДН₂-редуктаза-цитохром b₅:

     2НО-аскорбат-О· + НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН + НАД⁺

б). В митохондриях, с участием НАДН₂-семидегидроаскорбатредуктазы:

     2НО-аскорбат-О· + НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН + НАД⁺

в). В цитозоле, с участием НАДФН₂-дегидроаскорбатредуктазы:

     О=аскорбат=О + 2НАДФН₂ → НО-аскорбат-ОН + 2НАДФ⁺

г). В цитозоле, с участием GSH-дегидроаскорбатредуктазы:

     О=аскорбат=О + 2GSH → НО-аскорбат-ОН + GS-SG

2). взаимодействует с активными формами кислорода — О^∙₂, Н₂О₂, НО^∙ и инактивирует их.

β-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием и ин-гибирует ПОЛ.

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, самое главное, не дают ему возможности приникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплексы, в силу своей полярности, не проникают в гидрофобную зону.

Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует, по-видимому, целая система окисления и связывания ионов железа. В плазме крови эта система представлена ферментом церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Fe²⁺ до Fe³⁺ кислородом без образования свободных радикалов, и белком трансферрином, который связывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, которые затем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисляется и депонируется в окисленной форме внутри ферментного белкового комплекса ферритина.

Метаболизм – это совокупность химических реакций, протекающих в организме. При этом процессы, происходящие в просвете желудочно-кишечного тракта, не входят в понятие метаболизма, поскольку полость желудочно-кишечного тракта рассматривается как часть внешней среды. Метаболизм включает в себя более чем 100 000 разнообразных реакций, но существуют основные метаболические пути, построенные по единому плану. Такие пути могут быть линейными и разветвленными. Ферменты, катализирующие реакции, протекающие на этих путях, в организме объединены в мультиферментные системы. В мультиферментных системах продукт предыдущей реакции является субстратом для последующей.

Метаболизм – это двуединый процесс, складывающийся из 2-х частей: катаболизма и анаболизма. В ходе катаболизма происходит разрушение, расщепление сложных веществ до более простых. В процессе анаболизма организм синтезирует собственные сложные органические вещества из простых. Оба процесса связаны между собой большим числом реакций, хотя в клетке часто бывают пространственно разделены.

Однако, существуют химические реакции из числа обратимых, которые в равной степени можно отнести как к катаболизму, так и анаболизму. Принадлежность той или иной реакции к одному из этих процессов определяется тем, в какую сторону сдвинуто ее равновесие в данный момент времени.

      СХЕМА ЭТАПОВ КАТАБОЛИЗМА

1-й этап. Образование мономеров из полимеров.

Полимеры ——–>Мономеры

Белки ———–>Аминокислоты

Крахмал ———>глюкоза

Жиры ————>глицерин + жирные кислоты

2-й этап. Превращение мономеров в ПВК и Ацетил-КоА.

3-й этап. Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО₂ и Н₂О.

Для всех классов веществ последний этап катаболизма одинаков: на 3-м этапе образуется большинство субстратов митохондриального окисления – 4 вещества из 9 основных и 5-й субстрат – ПВК.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ – это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним – ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества. Окислительно-восстановительных процессов в живой  природе  очень  много. Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода, относится к биологическому окислению.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О БИООКИСЛЕНИИ.

А. Лавуазье в конце XVIII века показал, что животный организм потребляет   из воздуха кислород и выделяет углекислый газ. Сделал вывод, что горение и окисление – это одно и то же, что биологическое окисление представляет собой “медленное горение”, происходящее в присутствии воды и при низкой температуре.

В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И.Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

1-я теория: А.Н.Бах (1857-1946) полагал, что в живых клетках существуют особые ферменты – “оксигеназы”, которые взаимодействуют с кислородом, образуя перекиси. Сам кислород является не очень активным окислителем. Зато перекиси (“активный кислород”) являются очень сильными окислителями и способны передавать кислород окисляемому веществу.

Эта теория известна как “перекисная” или “теория активации кислорода”.

2-я теория: В.И. Палладин (1859-1922) создал теорию “активации водорода”. Считал, что универсальным путем окисления является отнятие от веществ (субстратов) водорода с участием специальных ферментов – хромогенов. После этого водород, по Палладину, может передаваться или на молекулу кислорода с образованием воды, или на другие молекулы, восстанавливая их.

Впоследствии теория В.И.Палладина блестяще подтвердилась для процессов митохондриального окисления, а ферменты, принимающие непосредственное участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются дегидрогеназами.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ БИООКИСЛЕНИЯ

Согласно СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ БИООКИСЛЕНИЯ в нашем организме окисление может происходить двумя способами:

1. Путем отнятия водорода от окисляемого субстрата: сюда относятся МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ и ВНЕМИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ОКСИДАЗНОГО ТИПА.
2. Путем присоединения кислорода к окисляемому субстрату – так происходит внемитохондриальное ОКИСЛЕНИЕ ОКСИГЕНАЗНОГО ТИПА (старое название – МИКРОСОМАЛЬНОЕ окисление).

МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ (МтО).

Система митохондриального окисления – мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны и электроны на кислород с образованием молекулы воды.

Все ферменты митохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов – никотинамидная   дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует “дыхательный ансамбль” («дыхательную цепь»), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата, затем передаются последовательно от одного переносчика к другому, и, наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды.

Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке   переносчиков. Эта последовательность определяется величиной РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛА (ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА, сокращенно – ОВП) каждого звена. ОВП – это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроны. Выражается в вольтах (V). Вещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны), вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом. Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий – у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода  идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении – в порядке возрастания их ОВП: от -0.32V у никотинамидных дегидрогеназ (первого компонента главной цепи МтО) до 0.82V у О₂, обладающего самым высоким редокс-потенциалом.

На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н⁺ и электроны. Протоны остаются временно в окружающей среде, а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О₂. Кислород является конечным акцептором электронов.

O₂ + 4e —–> 2O^-2 (полное восстановление кислорода)

Все реакции, происходящие в дыхательной цепи, сопряжены. Переносчики водорода и электронов расположены в строгом порядке, в соответствии с величиной их редокс-потенциала.

В настоящее время различают три варианта дыхательных цепей: 1)

• ГЛАВНАЯ (ПОЛНАЯ) ЦЕПЬ
• УКОРОЧЕННАЯ (СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ
• МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ.

Сначала разберем их строение на примере главной дыхательной цепи.

I.     ГЛАВНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Главная дыхательная цепь – это три мультиферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. Обозначаются они латинскими цифрами – I, III и IV.

СХЕМА ГЛАВНОЙ (ПОЛНОЙ) ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Комплекс I – НАДН-KoQ-редуктаза, комплекс III – KoQH₂-редуктаза, комплекс IV – цитохромоксидаза.      Есть еще комплекс II – сукцинат-KoQ-редуктаза, но он существует отдельно от остальных комплексов и не входит в состав главной цепи.

Эти комплексы транспортируют водород от никотинамидных дегидрогеназ на кислород воздуха, в результате чего создается электрохимический градиент концентраций протонов – DmH⁺. Он возникает на внутренней мембране митохондрий между матриксом и межмембранным пространством. Его составляют два основных фактора:

• Электрический мембранный потенциал Dy.
• Градиент pH (осмотический или химический градиент).

DmH⁺=Dy-k×DpH

DmH⁺ – положительная величина. Его можно выразить как в вольтах (V), так и в единицах энергии (кДж/моль). Изменение значения pH на одну единицу соответствует 0,06V или 5,7 кДж/моль.

Энергия DmH⁺ используется для следующих процессов:

• Синтез АТФ.
• Получение тепла (особенно важно для бурого жира и для мышечной ткани птиц).
• Выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).
• Мышечная работа (в некоторых случаях).

Для человека наиболее важен синтез АТФ.

В полной цепи при окислении субстрата два атома водорода переносятся на НАД – кофермент никотинамидных дегидрогеназ.

Как видно из приведенной схемы, в полной цепи при передаче двух атомов водорода на кислород воздуха, в межмембранном пространстве оказываются 10 протонов, перенесенных сюда из матрикса.

Все переносчики встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, кроме никотинамидных дегидрогенказ. Они составляют дыхательный ансамбль, тысячи таких ансамблей существуют в митохондрии и потребляют 90-95% кислорода, который используется клеткой. Два атома водорода отнимаются от субстрата и передаются на О₂ с образованием Н₂О. Разность потенциалов на двух концах полной цепи составляет 1.14V.

НИКОТИНАМИДНЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ (НАДГ)

Небелковая часть этих ферментов представляет собой динуклеотид: НИКОТИНАМИД-АДЕНИНДИНУКЛЕОТИД (НАД⁺) или НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИДФОСФАТ (НАДФ⁺).

Студенты обязаны знать формулу НАД(Ф) и механизм присоединения к нему водорода. НАД(Ф) содержит производное витамина РР – никотинамид. (см. раздел «Витамины»).

НАД⁺ и НАДФ⁺ входят в состав каталитического центра НАДГ. Они являются КОФЕРМЕНТАМИ, так как связаны с белковой частью слабыми типами связей – могут легко диссоциировать. Они присоединяются к белковой части только в момент протекания реакции. Реакция, которую катализируют НАДГ – это реакция окисления субстрата.

Известно около 150 НАДГ, которые различаются по строению белковой части (апофермента).

Апоферменты большей части НАДГ способны присоединять или только НАД, или только НАДФ, и лишь немногие способны соединяться и с тем, и с другим коферментами.  НАДГ, участвующие в митохондриальном окислении, находятся в матриксе митохондрий, в отличие от большинства других участников дыхательной цепи, которые встроены во внутреннюю мембрану. НАДГ можно встретить и в цитоплазме клеток. Мембрана митохондрий непроницаема для НАД(Ф), поэтому митохондриальный и цитоплазматический НАД(Ф) никогда не смешиваются. В митохондриях содержится очень много НАД и почти нет НАДФ, а в цитоплазме – наоборот – очень много НАДФ и почти нет НАД.

Из матрикса митохондриальный НАД×Н₂ отдает два атома водорода на «комплекс I», встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий.

КОМПЛЕКС I

В составе комплекса находится 26 полипептидных цепей общей массой 800 кДа. Комплекс содержит следующие небелковые компоненты: Флавинмононуклеотид (ФМН), 5 центров FeS (железо-серные центры): FeS_1a, FeS_1b FeS₂, FeS₃, FeS₄.

В транспорте водорода по дыхательной цепи в этом комплексе принимает участие ФМН.

Одновременно с протонами транспортируются и электроны. Наибольшие перепады редокс-потенциала наблюдаются между железо-серными белками, расположенными в следующем порядке:

ФМНÞFeS_1aÞFeS_1bÞFeS₃ÞFeS₄ÞFeS₂

Комплекс I – интегральный белковый комплекс. Используя энергию, выделяющуюся при переносе электронов по дыхательной цепи, он транспортирует 4 протона из матрикса в межмембранное пространство – комплекс I работает как протонный генератор. Точный механизм этого транспорта до сих пор неизвестен.

Далее комплекс I восстанавливает промежуточный переносчик KoQ (убихинон).

Это жирорастворимое низкомолекулярное вещество, содержащее длинную изопреновую цепь, не имеет белковой части. КоQ принимает водород от комплекса I. Образовавшийся КоQH₂ отдает водород на комплекс III.

КОМПЛЕКС III.

В своем составе содержит цитохромы – сложные белки, содержащие небелковый компонент – простетическую группу, сходню по строению с небелковой частью гемоглобина – гемом.

1) Цитохромы b, имеющие в своем составе два типа простетических групп тетрапиррольной структуры – «гем». Известно два гема цитохромов: b_e, обладающий низким окислительно-восстановительным потенциалом и b_h  с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Строение простетической группы цитохромов  группы b, похожей на гем белка гемоглобина, представлено на рисунке. Его необходимо выучить.

2)FeS_III – железо-серный кластер.

• Цитохром С₁. Имеет в своем составе особый гем типа «с».

Друг от друга цитохромы могут отличаться:

• Строением белковой части;
• Значением окислительно-восстановительного потенциала;
• Строением радикалов, расположенных по периферии гема;
• Присоединением гема к белковой части – в некоторых случаях гем присоединен к ней ковалентной связью за счет радикалов цистеина, что характерно для цитохромов c₁ и c.

От двух атомов водорода, которые переносятся на комплекс III от KoQ, дальше по цепи транспортируются только электроны, два протона (H⁺)комплекс III выбрасывает в межмембранное пространство вместе с еще одной парой протонов, которые подхватываются комплексом из матрикса. Таким образом, комплекс  III в сумме выбрасывает в межмембранное пространство 4 протона. Поэтому комплекс III, как и комплекс I, является протонным генератором, и целью его работы также является создание DmH⁺.

КОМПЛЕКС IV.

Комплекс IV называется цитохромоксидазой. Он способен захватывать из матрикса 4 протона. Два из них он отправляет в межмембранное пространство, а остальные передает на образование воды.

Благодаря многоступенчатой передаче энергия в дыхательной цепи выделяется не мгновенно, а постепенно (маленькими порциями) при каждой реакции переноса. Эти порции энергии не одинаковы по величине. Их величина определяется разницей между ОВП двух соседних переносчиков. Если эта разница небольшая, то энергии выделяется мало – она рассеивается в виде тепла. Но на нескольких стадиях ее достаточно, чтобы синтезировать макроэргические связи в молекуле АТФ. Такими стадиями являются:

• НАД/ФАД – разность потенциалов 0.25V.
• Цитохромы b/cc₁ – 0.18V
• aa₃/O^-2 – 0.53V.

Значит, на каждую пару атомов водорода, отнятых от субстрата, возможен синтез 3-х молекул АТФ.

АДФ + Ф + ЭНЕРГИЯ ——-> АТФ + Н₂О

Макроэргическая связь – это такая ковалентная связь, при гидролизе которой выделяется не менее 30 кДж/моль энергии. Эта связь обозначается знаком ~.

Синтез АТФ за счет энергии, которая выделяется в системе МтО, называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. Основная роль АТФ – обеспечение энергией процесса синтеза АТФ.

Для оценки эффективности работы системы МтО при окислении вычисляют КОЭФФИЦИЕНТ P/O. Он показывает, сколько молекул неорганического фосфата присоединилось к АДФ в расчете на один атом кислорода.

Для главной (полная) цепи Р/О=3 (10H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 3,3 (округляют до 3-х)), коэффициент полезного действия системы – 65%, для укороченной P/O=2 (6H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 2, для максимально укороченной  P/O=1 (4H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 1.

Система МтО потребляет 90% кислорода, поступающего в клетку. При этом в сутки образуется 62 килограмма АТФ. Но в клетках организма содержится всего 20-30 граммов АТФ. Поэтому молекула АТФ в сутки гидролизуется и снова синтезируется в среднем 2500 раз (средняя продолжительность жизни молекулы АТФ – полминуты).

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ АТФ:

1. Синтез различных веществ.
2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na⁺,К⁺-АТФазу.
3. Механическое движение (мышечная работа).

СИНТЕЗ АТФ.

Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс – Н⁺-зависимая АТФ-синтаза seu Н⁺-зависимая АТФ-аза (два разных названия связаны с полной обратимостью катализируемой реакции), обладающий значительной молекулярной массой – более, чем 500кДа. Состоит из двух субъединиц: F_O и F₁.

F₁ представляет из себя грибовидный вырост на матриксной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, F_O же пронизывает эту мембрану насквозь. В толще F_O расположен протонный канал, позволяющий протонам возвращаться обратно в матрикс по градиенту их концентраций.

F₁ способна связывать АДФ и фосфат на своей поверхности с образованием АТФ – без затраты энергии, но обязательно в комплексе с ферментом. Энергия необходима лишь для освобождения АТФ из этого комплекса. Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал F_O.

В дыхательной цепи сопряжение абсолютно: ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.

Но при синтезе АТФ сопряжение одностороннее: окисление может идти без фосфорилирования, а фосфорилирование без окисления никогда не идёт. Это означает, что система МтО может работать без синтеза АТФ, но АТФ не может быть синтезирована, если не работает система МтО.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИНГИБИТОРЫ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ

К ним относятся вещества, прекращающие работу того или иного комплекса дыхательной цепи.

Ингибитором комплекса I является яд растительного происхождения РОТЕНОН. Некоторые народности раньше использовали его в рыбной ловле.

Ингибиторами комплекса IV являются ЦИАНИДЫ, угарный газ СО, сероводород H₂S.

ВЕЩЕСТВА-РАЗОБЩИТЕЛИ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

Они не прекращают процессов окисления, но снижают синтез АТФ. Дыхательная цепь работает, а АТФ при этом синтезируется в меньшем количестве, чем в норме. Тогда энергия, получаемая при переносе электронов по цепи МтО, выделяется в виде тепла. Такое состояние, когда происходит окисление субстратов, а фосфорилирование (образование АТФ из АДФ и Ф) не идет, называется РАЗОБЩЕНИЕМ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ. К такому состоянию может приводить действие веществ-разобщителей:

2,4-ДИНИТРОФЕНОЛ, открытый в 1944 году Липманом, при введении в организм повышает температуру тела и понижает синтез АТФ. Это вещество, наряду с другими, открытыми позже, пытались использовать для лечения ожирения, но безуспешно.

Механизм действия веществ-разобщителей становится понятням только с точки зрения хемиоосмотической теории.

Разобщители являются слабыми кислотами, растворимыми в жирах. В межмембранном пространстве они связывают протоны, и затем диффундируют в матрикс, тем самым снижая DmH⁺.

Подобным действием обладает и йодсодержащие гормоны щитовидной железы – тироксин и трийодтиронин. При состояниях, сопровождающихся гиперфункцией щитовидной железы (например, Базедова болезнь), больным не хватает энергии АТФ: они много едят (нужно большое количество субстратов для окисления), но при этом теряют в весе. Большая часть энергии выделяется в виде тепла.

Схема цепи митохондриального окисления не раскрывает механизма образования АТФ путем окислительного фософорилирования. Этот механизм объясняется гипотезой П.Митчелла.

ТЕОРИЯ СОПРЯЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ПИТЕРА МИТЧЕЛЛА.

Известно, что через мембрану митохондрии могут свободно проникать только небольшие незаряженные молекулы, а также гидрофобные молекулы. Энергия, которая выделяется при переносе электронов по цепи МтО, приводит к переносу протонов (Н⁺) из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Поэтому на внутренней мембране митохондрий образуется градиент концентраций протонов: в межмембранном пространстве Н⁺ становится много, а в матриксе остается мало. Образуется разность потенциалов 0.14V – наружная часть мембраны заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Накопившиеся в межмембранном пространстве Н⁺ стремятся выйти обратно в матрикс по градиенту их концентраций, но митохондриальная мембрана для них непроницаема. Единственный обратный путь в матрикс для протонов – через протонный канал фермента АТФ-синтетазы, которая встроена (built-in) во внутреннюю мембрану митохондрий. При движении протонов по этому каналу в матрикс их энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Синтезируется АТФ в матриксе митохондрий.

После синтеза АТФ переносится в цитоплазму путем облегчённой диффузии по градиенту концентраций, поскольку основные процессы, в которых АТФ потребляется, протекают в цитоплазме.

Как происходит транспорт АТФ из митохондрий в цитоплазму?

Для этого используется специфический для АТФ транспортный белок – АТФ/АДФ-транслоказа. Это интегральный белок, локализован во внутренней мембране митохондрий.

Во внутренней мембране митохондрий есть белок-переносчик – АТФ/АТФ-транслоказа, который имеет 2 центра связывания: со стороны матрикса для АТФ, снаружи – для АДФ. При изменении конформации АТФ/АДФ-транслоказы АДФ переносится в матрикс, а АТФ – в межмембранное пространство, а затем – в цитоплазму, где используется.

Для образования АТФ в матрикс всё время должен поступать неорганический фосфат (Ф). Для этого во внутренней мембране митохондрий есть транспортная система, которая обеспечивает перенос фосфата в матрикс сопряженно с переносом Н⁺. Это белок-переносчик, который имеет 2 центра связывания: для Ф и Н⁺. Ф и Н⁺ вместе переносятся из межмембранного пространства в матрикс.

Известны некоторые вещества, которые способны разобщать процессы окисления и фосфорилирования, приводя тем самым к уменьшению коэффициента р/о. К ним относятся йодсодержащие гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин), а также некоторые ксенобиотики (например, 2,4-динитрофенол). Такие вещества известны под общим названием «РАЗОБЩАЮЩИЕ ЯДЫ». Как действуют вещества-разобщители окисления и фосфорилирования? Они могут образовывать собственные протонные каналы во внутренней мембране митохондрий. Поэтому часть протонов, вместо того, чтобы идти обратно в матрикс по протонному каналу АТФ-синтетазы, уходит туда по каналам веществ-разобщителей. В результате АТФ образуется меньше, и часть энергии выделяется в виде тепла.

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ СИСТЕМЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Если клетка организма находится в условиях покоя, то АТФ мало используется и накапливается. Поэтому снижается концентрация АДФ и Ф. В этих условиях АТФ-синтетаза уже не получает из цитоплазмы достаточно фосфата и АДФ для синтеза АТФ. Её активность понижается, и скорость движения протонов из межмембранного пространства в матрикс по протонному каналу этого фермента тоже падает. Поэтому сохраняется высокий градиент концентраций протонов на внутренней мембране митохондрий. В этих условиях энергии переноса водорода по цепи митохондриального окисления уже не хватает для выталкивания Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство. Перенос водорода по цепи МтО тормозится и прекращается окисление субстратов.

Метаболизм в клетке регулируется отношением АТФ/АДФ. Это отношение характеризует ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ.

В норме ЭЗК = 0.85-0.90. Может изменяться от 0 до 1. Высокий ЭЗК тормозит синтез АТФ, и активирует использование АТФ (АТФ——-> АДФ + Ф)

БИОЛОГИЧЕСКАЯ   РОЛЬ   МИТОХОНДРИАЛЬНОГО  ОКИСЛЕНИЯ

Главная его функция – обеспечение организма запасами энергии в форме АТФ.

Именно митохондрии поставляют клетке большую часть необходимого ей АТФ.

В сутки синтезируется до 62 кг АТФ,  хотя одновременно в организме никогда  не  бывает  больше  30-40  граммов  этого вещества. Т.е.   наблюдается  очень  быстрое  восстановление расходуемых молекул АТФ.

        ВАРИАНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. ПОЛНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

В этой цепи окисляется небольшое количество субстратов, из которых главными являются четыре. Коэффициент Р/О=3.

СУБСТРАТЫ	НИКОТИНАМИДНЫЕ ФЕРМЕНТЫ, ИХ ОКИСЛЯЮЩИЕ
изолимонная кислота (изоцитрат)	Изоцитратдегидрогеназа
Яблочная кислота (малат)	Малатдегидрогеназа
Глутаминовая кислота (глутамат)	Глутаматдегидрогеназа
бета-гидроксиацил-КоА	бета-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа

Все ферменты полной цепи являются НАД-зависимыми дегидрогеназами.

1. СОКРАЩЕННАЯ (УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Известны два субстрата. Главным из них является сукцинат (янтарная кислота).

Сукцинатдегидрогеназа – это комплекс II, который в укороченном варианте цепи является начальным звеном окисления. В составе комплекса – простетическая группа ФАД и FeS_II. От ФАД^.Н₂ два атома водорода переносятся на KoQ. Значит, первое звено, которое имеется в полной цепи – исключается. Перепад окислительно-восстановительного потенциала между ФАД и KoQ невелик. Поэтому переноса H⁺ в межмембранное пространство в этой точке не происходит. DmH⁺  также создается, но меньший, чем в полной цепи. Значит, меньше и эффективность фосфорилирования – коэффициент Р/О=2.

Аналогичным образом окисляется и второй субстрат – ацил-КоА (активная форма любой жирной кислоты):

1. МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ.

Она представлена только цитохромной  частью. Эксперименты показали, что здесь может быть окислен только один субстрат – аскорбиновая кислота, с участием фермента, восстановленные эквиваленты включаются в цепь на уровне цитохрома С цитохромоксидазы (цитохром аа₃), но в реальных условиях такого окисления практически не происходит. Образуется вода и 1 молекула АТФ. Коэффициент Р/О=1.

Возможность такого окисления доказана в эксперименте in vitro. А в живой клетке аскорбиновая кислота обычно используется как донор водорода в системе окисления оксигеназного типа (реакции, катализируемые монооксигеназами: смотрите лекцию «Внемитохондриальное окисление»). Такие реакции с участием витамина «С» особенно важны для формирования белка коллагена, в котором за счет монооксигеназной реакции образуется гидроксипролин.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ

И a-КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТ В МИТОХОНДРИЯХ

Этот вариант дыхательной цепи удлинен по сравнению с полной цепью за счет того, что первое звено катализируется не никотинамидным ферментом, а мультиферментным комплексом. Это единая надмолекулярная структура. В состав этого комплекса входят 3 фермента и 5 коферментов. Такой комплекс называется мультиферментным комплексом окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, и он окисляет два субстрата:

1. Пировиноградную кислоту (пируват, ПВК)

Окисляется с помощью ферментов пируватдегидрогеназного комплекса;

1. a-кетоглутаровую кислоту (a-КГ)

Окисляется с помощью ферментов a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса.

Оба комплекса ферментов работают одинаково. Они катализируют реакции    окислительного декарбоксилирования соответствующей a-кетокислоты.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

1-ю реакцию катализирует фермент ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА (Е₁).

Простетической группой пируватдекарбоксилазы является тиаминдифосфат (ТПФ, тиаминпирофосфат, ТДФ) – это активная форма витамина В₁. Активная часть ТПФ – тиазоловое кольцо и атом водорода в нем. Для краткости записывают: НС-ТПФ.

Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO₂, а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ.

2-ю и 3-ю реакцию процесса катализирует фермент АЦИЛТРАНСФЕРАЗА (Е₂). Простетическая группа ацетилтрансферазы – амид липоевой кислоты. Катализирует перенос оксиэтильного остатка на свой собственный кофермент (строение  ЛК  знать описательно по учебнику).  В ее  составе  есть  дисульфидная связь.

На этом  этапе  уже  произошло  окисление  оксиэтильного остатка до  остатка  уксусной  кислоты,  одновременно с этим началось восстановление липоевой кислоты.

3 этап – продолжает работать фермент ацилтрансфераза.

На этой стадии фермент переносит остаток уксусной кислоты на молекулу кофермента А (КоА). В КоА содержится остаток пантотеновой кислоты (витамин В₃). Активной частью КоА является остаток тиоэтаноламина и его -SH группа.

Выяснено, что этот фермент переносит не только остатки уксусной кислоты,     но и остатки других кислот (нециклических). Поэтому его еще называют   коферментом ацилирования.

Второй фермент данного комплекса является не только ацетилтрансферазой, но     и окислительным ферментом одновременно (дегидрогенизирующая ацетилтрансфераза).

Энергия этого окисления аккумулируется в виде макроэргической связи   активной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА).

4 этап катализируется  ферментом ДИГИДРОЛИПОИЛДЕГИДРОГЕНАЗОЙ.

Кофермент этого этапа – особый ФАД с низким окислительно-восстановительным потенциалом (обозначается как ФАД‘). Переносит протоны и электроны с  дигидролипоата на НАД – последний кофермент в описанном комплексе.

В итоге можем записать суммарное уравнение:

Аналогично действует ферментный комплекс для окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата. Но названия двух из трех ферментов другие:

1-й фермент – декарбоксилаза a-кетоглутаровой кислоты

2-й фермент – сукцинилтрансфераза (переносит остаток янтарной кислоты)

Суммарное уравнение для этого комплекса:

В результате действия этих двух комплексов, каждый из двух приведенных субстратов (ПВК  и  a-КГ) – теряют СО₂, два протона и два электрона, которые передаются на   кислород с образованием Н₂О и параллельно происходит фосфорилирование трех  молекул АТФ. Сами субстраты превращаются в итоге в активную форму соответствующей кислоты.

Макроэргическая связь в молекулах этих активных форм может легко   трансформироваться в макроэргическую связь молекулы АТФ. Например, для молекулы сукцинил-КоА:

Такой способ образования АТФ, когда нет сопряжения с процессами     окисления, называется СУБСТРАТНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ (при этом используется макроэргическая связь в молекуле какого-нибудь субстрата). В организмах высших животных и человека этот путь получения АТФ не является главным. Благодаря такому механизму окислительное декарбоксилирование a-кетокислот может считаться энергетически более выгодной, потому что образуется вещество с макроэргической связью – ацетил-КоА. Некоторые   синтетазы  используют  макроэргические связи из Ацетил-КоА или Сукцинил-КоА для реакций биосинтеза.

Например, при синтезе гема гемоглобина используется часть молекул сукцинил-КоА:

Большая часть будет все же использоваться для синтеза ГТФ.

Другой продукт окислительного декарбоксилирования (Ацетил-КоА) может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, стероидов. А самая большая часть этого вещества используется при синтезе лимонной кислоты в реакциях Цикла Трикарбоновых Кислот.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ УДЛИНЕННОЙ ЦЕПИ.

Образуются 3 молекулы АТФ путем окислительного фосфорилирования. Продукты окислительного декарбоксилирования (ацетил-КоА и сукцинил-КоА) содержат макроэргическую связь. Энергия макроэргической связи сукцинил-КоА используется двумя способами.

1) Субстратное фосфорилирование в ЦТК (так расходуется большая часть этого вещества).

2) Реакции синтеза гема (меньшая часть сукцинил-КоА).

Энергия макроэргической связи Ацетил-КоА используется только в реакциях синтеза:

а) Синтез лимонной кислоты (цитрата).

б) Синтез кетоновых тел

в) Синтез жирных кислот

г) Синтез холестерина

Среди субстратов МтО почти нет веществ, которые организм получает с пищей – только глутаминовая кислота.

Субстраты МтО – в основном органические кислоты, которые образуются в организме в процессе катаболизма. В процессе катаболизма из большого количества разнообразных пищевых веществ образуется всего 2 вида общих метаболитов: Ацетил-КоА и ПВК.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

(ЦТК,  лимоннокислый цикл, цикл Кребса)

ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях.  Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК.

В реакциях этого цикла участвуют четыре из девяти субстратов МтО.

Происходит серия дегидрогеназных реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).

На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

Итого за 1 оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО₂ и Н₂О, как конечные продукты обмена веществ.

СО₂ образуется в ходе ЦТК дважды:

1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)
2. на четвертой стадии (окисление альфа-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу СО₂, которая образуется до начала ЦТК  – при  превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО₂,  образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая  выводится  из  организма.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК – ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК – главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О.
2. ЦТК – это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.
3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):

– из цитрата ——-> синтез жирных кислот

– из aльфа-кетоглутарата и ЩУК ———> синтез аминокислот

– из ЩУК ———-> синтез углеводов

– из сукцинил-КоА ———–> синтез гема гемоглобина

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

В ЦТК два ключевых фермента:

1) цитратсинтаза (1-я реакция)

2) изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН₂. Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала – синтез АТФ уменьшается.

Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = ————————

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может меняться от 0 до 1. Обычно в норме величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА

Никотинамидные дегидрогеназы находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитозоле. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому НАДН₂, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных ЧЕЛНОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ. В митохондрию из цитозоля передается не сам НАДН₂, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается  в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную  мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

В клетках организма человека существуют 2 типа челночных механизмов.

1. МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ челнок (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени.

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный НАД(!), поэтому в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ и не происходит потери энергии при переносе водорода. Для ткани печени малат-аспартатная система особенно важна, так как из митохондрии выводится Ацетил-КоА (в виде цитрата), а водород попадает в митохондрию (в составе малата).

Таким образом, происходит не только челночный транспорт водорода от  цитоплазматического НАД к митохондриальному, а и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме  Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

ЩУК может вернуться в цитоплазму и другим способом: она может вступить в реакцию трансаминирования с глутаминовой кислотой (СМОТРИТЕ РИСУНОК)

1. ГЛИЦЕРОФОСФАТНЫЙ челнок (встречается реже).

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный ФАД(!), и в митохондриях образуется 2 молекулы АТФ вместо 3-х – происходит потеря энергии при переносе водорода.

В клетке существует не только челночный транспорт водорода от цитоплазматического НАД к митохондриальному. Происходит и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кисло