Материал: физиология ответы

Основной путь использования энергии, освобождающейся при биологическом окислении — накопление её в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и др. макроэргических соединений.

Биологическое окисление любого органического вещества представляет собой много звеньевую систему реакций, включающих большое число реакций при окислении водорода в воду.

Биологическое окисление состоит из:

*основной дыхательной цепи: анаэробное дыхание, аэробное дыхание, декарбоксилирование ПВК, цикл Кребса

*дополнительной дыхательной цепи: фотодыхание (в пластидах), глиоксилатный цикл, пентозофосфатный цикл (анаэробный, может происходить в цитоплазме, пластидах), окисление жиров (в глиоксисомах)

II Основная дыхательная цепь

-система структурно и функционально связанных белков и переносчиков электронов. Состоит из 4 комплексов

Реакции:

1.Реакция гликолиза

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ = 2ПВК + 2НАДН + 2АТФ

2Декарбоксилирование пирувата

СН3СОСООН(пируват) + НАД+ + КоАSH = СО2 + НАДН2 + CН3СО-SКоА(ацетил-КоА)

3.Реакция цикла Кребса

Ацетил-КоА + 3Н₂О + 3НАД⁺ + ФАД = кофермент А + 2СО₂ + 3НАДН₂ + ФАДН₂ + АТФ

4.Реакция окислительного фосфорилирования

НАДН + Н+ + 3АДФ + 3Фн + 1/2О2 = НАД+ + 3АТФ + 4Н2О

Таким образом, биологическое окисление:

*Катализируется ферментами

*Представляет собой многозвеньевую систему последовательных процессов

*Освобождающая при биологическом окислении энергия накапливается в виде АТФ

Вопрос 5. Классификация ферментов дыхания

Вопрос 6. Дегидрогеназы растений, их химическая природа и функции

Основная функция дегидрогеназ – активирование водорода в молекуле дыхательного субстрата и отделение его от окисляемого вещества, или дегидрирование.

В общем виде схема действия дегидрогеназ заключается в том, что активированный или лабильный водород дыхательного материала АН₂ переносится на акцептор В, имеющий более высокую степень сродства к водороду:

АН₂ + дегидрогеназа + В = А + ВН₂ + дегидрогеназа

Дегидрогеназы делят на аэробные и анаэробные

1.Аэробные дегидрогеназы

*двухкомпонентные ферменты, куда наряду с белком в качестве простетической группы входит рибофлавин – производное витамина В₂

*наиболее распространенные коферменты – ФАД и ФМН

*К аэробным дегидрогеназам относятся: лактатдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа

*доноры электронов – анаэробные дегидрогеназы, акцепторы – цитохромы, кислород

2.Анаэробные дегидрогеназы

*Двухкомпонентные ферменты

*Коферменты – НАД⁺ и НАДФ⁺, коферменты имеют сходную структуру, за исключением того, что в НАДФ⁺ на один остаток фосфорной кислоты больше; оба кофермента дают после гидролиза рибозу, аденин, никотинамид и фосфорную кислоту.

*В основе действия анаэробных дегидрогеназ лежит способность к обратимому дегидрированию и гидрированию пиримидинового ядра, входящего в состав коферментов этих дегидрогеназ в виде амида никотиновой кислоты

*К анаэробным дегидрогеназам относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные превращения в процессах спиртового и молочнокослого брожения, например, алкогольдегидрогеназу, а также ферменты дегидрирования соединений, образующихся в процессе аэробного окисления ПВК (дегидрогеназы изолимонной, янтарной, яблочной кислот и др.)

*Переносят водород лишь на промежуточный переносчик.

Вопрос 7. Оксидазы, их химическая природа и функции

Функция оксидаз – активирование молекулярного кислорода, т.е. они катализируют заключительные этапы окисления.

Водород окисляемого субстрата соединяется с кислородом воздуха с образованием воды или пероксида водорода.

В зависимости от природы металла оксидазы могут быть разделены на 2 группы:

1.Железопротеиды: гемин, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза

Окисление и восстановление цитохромов путем отдачи и присоединения электрона связаны с изменением валентности железа фермента в коферменте; благодаря этому цитохромы являются переносчиками электронов, а цитохромокисидаза играет роль последнего звена, способствующего их переносу на кислород воздуха.

Каталаза ускоряет реакцию разложения пероксида водорода на воду и кислород по уравнению: 2Н₂О₂ = 2Н₂О + О_2.

Пероксидаза с помощью пероксида водорода может окислять различные соединения, например, полифенолы, с образованием хинона и воды.

2.Медьпротеиды: полифенолоксидаза, аскорбатоксидаза

Полифенолоксидаза катализирует перенос электронов и Н⁺ от ряда фенолов (гидрохинон, пирокатехин) на молекулярный кислород

Аскорбатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту (АК) в дегидроаскорбиновую (ДАК)

Вопрос 8. Митохондрии, их структура и функции

Структура:

• Овальная форма

• Двойная мембрана, между мембранами – межмембранное пространство, содержащее жидкость

• Внутренняя мембрана образует выросты – кристы, расположенные перпендикулярно продольной оси органеллы; мембраны митохондрий проницаемы для большей части малых молекул и ионов

• Внутреннее пространство митохондрии заполняет бесцветный раствор – матрикс, в котором находятся дыхательные ферменты

• Состав: белки (60-65%), липиды (30%), а также нуклеиновые кислоты (ДНК – 0,5%, РНК – 1%)

• В митохондриях имеется своя система синтеза белка, в том числе рибосомы

• Образуются митохондрии из инициальных частиц, существующих в меристематических клетках и представляющих собой пузырьки, окруженные двойной мембраной

Функции

Основная функция - превращение энергии сложных органических веществ в энергию макроэргических связей АТФ

• митохондрии – это органеллы, в которых происходит большая часть реакций дыхания

• освобождаемая при этом энергия аккумулируется в АТФ и используется для работы клетки

• в митохондриях происходит распад жирных кислот и превращение глицина в серин

• митохондрии участвуют в ионном обмене, например, в них содержится запас ионов кальция

Митохондрия как органелла дыхания

• на наружной мембране митохондрий расположены ферменты субстратного фосфорилирования и гликолиза

• во внутренней мембране расположена цепь транспорта электронов и молекулы АТФазы, катализирующие образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата

• в матриксе митохондрий – ферменты цикла Кребса и ферменты, катализирующие окисление жирных кислот

Вопрос 9. Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование – процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с транспортом электронов от восстановленных коферментов к кислороду воздуха.

Сопряженными называют процессы, которые идут совместно (одновременно) и один процесс доставляет энергию для другого. Любое нарушение, вызывающее прекращение транспорта электронов и увеличивающее проницаемость мембраны для протонов, приводит к торможению синтеза АТФ и выделению освобождающейся энергии в виде тепла.

Происходит на внутренней мембране митохондрий. Внутренняя мембрана митохондрии содержит белки-переносчики электронов и выполняет сопрягающую функцию, т.е. соединяет два процесса – транспорт электронов и синтез АТФ. Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата сопряжен с транспортом электронов и перекачиванием протонов.

То есть, переносчики образуют электронно-транспортную цепь, которая встроена во внутреннюю мембрану митохондрий подобно тому, как переносчики, работающие в световой фазе фотосинтеза, расположены на тилакоидах гран и тилакоидах стромы хлоропласта.

Цепь переноса электронов состоит из ряда окислительно-восстановительных соединений, которые могут резко переходить из окисленной формы в восстановительную. Способность принимать и отдавать электроны количественно выражается стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, который характеризует сродство молекулы-переносчика к электронам. Окислительно-восстановительные компоненты располагаются в порядке уменьшения отрицательных и увеличения положительных потенциалов.

Таким образом, порядок расположения компонентов цепи зависит от величины их окислительно-восстановительных потенциалов:

ФАД

НАДН – ФМН – убихинон – цит.b – цит.с1 – цит.с – цит.а,а3

Переносчики:

• Пиримидиновые и флавиновые дегидрогеназы – переносят атомы водорода

• Железосерные белки – переносят электроны

• Убихинон – переносит электроны

• Цитохромы – переносят атомы водорода

Переносчики, за исключением убихинона и цитохрома с, образуют 4 комплекса.

1. Комплекс I – НАДН-дегидрогеназный комплекс

Состоит из 22 полипептидных цепей, флавинмононуклеотида и 5и железосерных центров

Этот комплекс переносит электроны от НАДН через ФМН и железосерные белки на убихинон. Одновременно этот комплекс переносит и протоны

2. Комплекс II

Содержит ФАД-зависимую сукцинат, убихинон-оксиредуктазу и 3 железосерных белка

Этот комплекс катализирует окисление сукцината

Убихинон передает электроны от первого и второго комплексов третьему

3. Комплекс III (комплекс в – с1)

Состоит из 8и разных полипептидных цепей и является димером

В состав комплекса входят цитохромы b и с1, железосерный белок

Этот комплекс переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому с

4. Комплекс IV – цитохромоксидазный комплекс

Состоит из 8и полипептидных цепей

Каждый мономер содержит цитохромы а и а1, 2 атома меди

Этот комплекс получает электроны от цитохрома с и передает их кислороду воздуха

Электроны переносятся последовательно от одного комплекса к другому и потом на кислород воздуха, имеющий наибольшее сродство к электронам. При переходе электрона от одного переносчика к другому освобождается энергия, количество которой прямо пропорционально разности между их редокс-потенциалами.

Два процесса окислительного фосфорилирования:

1. Первый процесс - перенос электронов от восстановленных коферментов НАДН и ФАДН₂ через ЦПЭ на кислород – экзергонический (с выделением энергии):

НАД⁺ + Н⁺ +1/2O₂ = НАД⁺ + H₂О + 52 ккал/моль(≈220 кДж/моль)

2. Второй процесс - фосфорилирование АДФ, или синтез АТФ, - эндергонический ( с затратой энергии):

АДФ + Н₃РО₄+7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль) = АТФ + Н₂О