Материал: Лекции по общей биохимии (2. биологическое окисление) 2009

Коэффициент окислитель­ного фосфорилирования

Для оценки эффективности окислительного фосфорилирования используют коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания.

При окисление молекулы НАДН₂, е^- по дыхательной цепи проходят 3 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 3 АТФ при затрате 3 Н₃РО₄ и 3 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для НАДН₂ Р/О=3.

При окисление молекулы ФАДН₂, е^- по дыхательной цепи проходят только 2 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 2 АТФ при затрате 2 Н₃РО₄ и 2 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для ФАДН₂ Р/О=2.

Эти величины Р/О отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт.

Транспорт веществ через мембрану митохондрий

1). Внутренняя мембрана митохондрии проницаема для незаряженных простых молекул О₂, Н₂О,

СО₂, NH₃, а также для монокарбоновых кислот. Эти вещества проходят мембрану самостоятельно по градиенту концентраций.

2). Для ионов мембрана не проницаема, через мембрану их переносят специальные насосы за счет энергии электрохимического потенциала. Только на транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти всей энергии электрохимического потенциала.

Симпортом с Н⁺ в матрикс перемещается ПВК и Са²⁺.

Антипортом перемещаются:

В результате обменных механизмов антипорта поддерживается осмотическое равновесие.

Теплопродукция

30-35% свободной энергии рассеива­ется в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание темпе­ратуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при paзобщении дыхания и фосфорилирования в бурой жировой ткани. Она содержит много митохондрий с большим количеством дыхательных ферментов и разобщающего бе­лка термогенина (РБ-1, около 10% всех белков). Ра­зобщение окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду.

У взрослых людей важную роль в термогенезе при переохлаждении играют жирные кислоты. Охлаждение стимулирует выделение норадреналина, который активирует липазу в жировой ткани и гидролиз ТГ. Образующиеся свободные жирные кислоты способны не только быть топливом дыхательной цепи, но и переносить протоны через мембрану в матрикс митохондрий разобщая дыхание и фосфорилирование. Обратно жирные кислоты в ионизированной форме возвращаются с помощью переносчиков.

Дыхательный контроль

В норме субстраты тканевого дыхания и О₂ находятся в достаточном количестве и не лимитируют окислительное фосфорилирование. Активность окислительного фосфорилирования ограничивает только концентрация АДФ, которая обратно пропорциональна концентрации АТФ.

При нагрузке концентрация АТФ снижается, а АДФ увели­чивается, что ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АТФ увеличивается, а АДФ снижается, что тормозит дыхание и фосфорилирование.

Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клет­ки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» мень­ше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины.

При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет —7,3 ккал/моль.

Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ — главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ—АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта».

Лекция № 6 Тема: Биологическое окисление. Механизмы оксигеназного и свободно - радикального окисления веществ. Аоз клетки.

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.

Оксигеназный путь использования кислорода

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.

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

2. 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;

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:

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)

Ферментативные реакции образования АФК