Лекция № 12. Биологическое окисление.

План лекции:

1. Тканевое дыхание.

2. Ферменты дыхательной цепи.

3. Строение НАД, ФАД, ФМН

4. Цитохромы

Цель лекции: Формирование знаний о биологическом окисление или тканевом дыхании клеток.

Живые организмы находятся в постоянной и неразрывной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ. Обмен веществ включает 3 этапа: поступление веществ (пищи) в организм, метаболизм и выделение конечных продуктов из организма.

В желудочно-кишечном тракте продукты питания перевариваются до простых веществ, всасываются в кровь и включаются в промежуточный обмене. Промежуточный обмен включают 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм- это процесс расщепления органических веществ (белков, жиров, углеводов) до конечных продуктов (СО2, H2O, мочевина)

Реакция катаболизма сопровождается выделением энергии (экзергонические реакции).

Энергия освобождающаяся в ходе окисления либо рассеивается в виде тепла, либо превращается в АТФ.

Организм превращает около 40% энергии, выделившийся при окислении, в энергию макроэргических связей АТФ.

Анаболизм – это процесс синтеза органических веществ из простых мономеров, которые протекают с использованием энергии (эндерганические реакции).

Благодаря тому, что в организме происходят эти противоположные процессы возможно состояние гомеостаза.

Процессы катаболизма в клетках животных сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для окисления.

Биологическое окисление- это ферментативное окисление различных субстратов (жиров, белков, углеводов) живыми организмами.

В результате биологического окисления освобождается потенциальная энергия заключенная в молекулах органических веществ. За счет этой энергии осуществляются все биохимические процессы (мышечное сокращение, секреция, передача нервного возбуждения).

Биологическое окисление белков, жиров и углеводов проходят в 3 этапа:

1. Образование С2 фрагментов (ацетил КоА)

2. Окисление ацетил КоА в цикле трикарбоновых кислот, с образованием СО2 и водорода, который акцептируется в НАД, НАДФ, ФАД.

3. Окисление НАДН, НАДФН, ФАДН2 в дыхательной цепи с участием кислорода, что приводит к образованию воды и энергии.

По химической сущности биологическое окисление прямо противоположно фотосинтезу, которое происходит в зеленых листьях:

солнечная энергия

6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2 - фотосинтез

биологическое окислении

Используемый молекулярный кислород живых существ вызывает распад органических веществ до СО2 и Н2О.

Под окислением понимают отщепление электронов и протонов от субстрата водорода, а под восстановлением- присоединение электронов и протонов.

При окислении происходит:

1. отнятие водорода

2. присоединение кислорода

3. увеличение положительного и уменьшение отрицательного заряда

При восстановлении происходит противоположное явление:

1. присоединение водорода

2. отнятие кислорода

3. увеличение отрицательного заряда

Все реакции, идущие с отдачей электронов называются окислительными, а реакции присоединения электронов- восстановительными. Поэтому эти реакции называют окислительно-восстановительными.

Окислительно-восстановительная система требует наличия окислителя и восстановителя. Она состоит из:

1. донора электронов, вещества способного отдавать электроны.

2. Акцептора электронов – вещества способного принимать электроны.

Донор е + акцептор

Способность восстановиться, отдавать электрон другому веществу представляет восстановительный или редокс потенциал данной реакции.

Для каждой окислительно-восстановительной пары свой редокс-потенциал.

НАД+/НАДН- - 0, 32

КоQ+/КоQН2- +0,04

Цитохром в- +0, 07

с1- +0,23

с- +0,25

а- +0,29

а3- +0,55

½ О2+2Н+2еН20- +0,82

Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону.

Чем более отрицателен редокспотенциал, тем сильнее выражена способность данной пары отдавать электроны.

НАД+/ НАДН - -0,32 – это говорит о высокой способности ее отдавать электроны, т. е. играть роль окислителя.

Н2 О2/Н2О- +0,82 – у этой пары наивысшая способность принимать электроны.

Основы современной теории биологического окисления были положены академиком Палладиным. Значительный вклад в изучение биологического окисления внесли Варбург, Виланд, Кребс, Митчелл, Энгельгард, Северин, Скулачев. Они открыли ряд веществ, участвующих в реакциях биологического окисления.

Происходит окисление субстрата, это отнятие либо протонов или, либо электронов водорода

Н

S е

Н

Если конечным акцептором электронов является кислород, то происходит тканевое дыхание.

Если в анаэробных условиях акцептором протонов и электронов водорода является какое то вещество, то это говорит о субстратном окислении.

Для организма выгодно тканевое или клеточное дыхание. Эта реакция идет многоступенчато через ряд промежуточных соединений, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего компонента и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходит восстановление О2 и синтез Н2О.

Окислительно-восстановительные реакции протекают в матриксе митохондрий. Митохондрии- субклеточные структуры, которые состоят из матрикса, внутренней и наружной мембраны. В матриксе митохондрий локализуются ферменты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) (изоцитратдегидрогеназа, ферменты окисления жирных кислот,малатдегидрогеназа и др.).

В наружной мембране находятся тиокиназы жирных кислот, моноаминооксидазы (МАО), АТФазы.

Во внутренней мембране митохондрий локализованы ферменты дыхательной цепи, ферменты синтеза АТФ, сукцинатдегидрогеназа, дегидрогеназы α-кетокислот.

Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов и происходит с участием ферментов:

1. никотинамидзависимых дегидрогеназ

2. флавинзависимых дегидрогеназ

К числу никотинамидзависимых ферментов относятся свыше 150 ферментов. Структура НАД была расшифрована Эйлером, а НАДФ- Варбургом.

НАД- зависимые дегидрогеназы---- ЛДГ, изоцитрат ДГ, МДГ- малат ДГ, алкоголь ДГ

НАДФ- зависимые ДГ- гл6фДГ , ГДГ- глутамат ДГ

В молекуле НАД- в основе лежит динуклеотид.

Первый нуклеотид состоит из аденина+ пентоза+ Н3РО4.

Во втором нуклеотиде, вместо азотистого основания амид никотиновой кислоты + пентозы + Н3РО4

НАДФ отличается тем, что имеет еще один остаток Н3РО4.

Вещество, непосредственно участвующее в переносе атомов водорода от окисляемого субстрата является пиридиновое кольцо, амид никотиновой кислоты, именно к этому кольцу и происходит присоединение одного атома водорода и двух электронов, второй атом Н остается в растворе, поэтому всегда происходит подкисление раствора.

Реакция идет очень быстро. Расположение этих коферментов в тканях различно. В печени 60% НАД находится в митохондриях, тогда как НАДФ в цитоплазме.

НАД- участвует в реакциях тканевого дыхания, а НАДФ в реакциях синтеза высших жирных кислот.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов ФАД или ФМН. Эти коферменты образуются в организме человека из вит. В2.

Рабочей частью ФАД и ФМН служит изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина.

ФАД ФАДН2

Большинство ФАД - зависимые ДГ локализованы в матриксе митохондрий и во внутренней мембране митохондрий.

К ФАД- зависимым дегидрогеназам относятся СДГ- сукцинат ДГ

Перенос электронов от НАДН к О2 включает ряд переносчиков, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий, которая называется дыхательная цепь.

Компонентами дыхательной цепи является НАДН- дегидрогеназа, простетической частью которой является ФМН. Единственный субстрат фермента НАДН, с которого 2 электрона и протон переносится на ФМН с образованием ФМНН2. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению:

Н

S НАДН + Н +ФМН НАД + ФМНН2

Н

НАДН- дегидрогеназа содержит железо серные белки, некоторые могут передавать электроны с ФМНН2. Электроны переносятся на железо-серные белки (FeS), а от них на кофермент Q (убихинон)

КоQ- вездесущий хинон. Молекула убихинона различается длиной углеводородной цепи, которая обозначается Q10

В процессе переноса электронов с НАДН- дегидрогеназы FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от НАДН- дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ

Н

S НАДН

Н

ФАДН2

Н АДН ДГ (ФМН)- FeS ФМНН2 КоQ КоQН2

Дальнейший перенос электронов от КоQ на кислород осуществляет система цитохромов.

Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемопротеидов), открытых в 1886г Мак- Муном, однако их роль была выяснена Кейлином.

Известно около 30 различных цитохромов, но в дыхательной цепи участвуют 5 типов цитохромов (а, а3, в, с, с1). Все они имеют простетическую группу, геминовую группу близкую к гему. Цитохромы отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми компонентами.

В ходе реакции при переносе электронов валентность железа обратимо меняется (из 2х валентного в 3х валентное). Цитохромы располагаются в дыхательной цепи между убихиноном и кислородом и в зависимости от редокс потенциала в определенной последовательности:

ц ит в с1 с а а3

+0,07 +0,23 +0,25 +0,29 +0,55

Цитохром а3 ( цитохромоксидаза) является терминальным дыхательным ферментом Варбурга непосредственно взаимодействующим с О2.

Передача электронов в цитохромной системе осуществляется за счет валентности железа гема, а на участке цитохрома α₃ – за счет изменения валентности меди. Установлено, что цитохромоксидаза (α₃ ) состоит из 6 субъединиц, каждая из них содержит геминовую группу и атом меди. Две субъединицы из 6 составляют цитохром α_, а остальные четырех относятся к цитохрому α_3. Учитывая, что любой компонент дыхательной цепи может восстанавливать редокс-системы только с более низким, то в целом дыхательную цепь представить следующим образом.

Н

S НАДН

Н

-0,32 ФАДН2

Н АДН ДГ[(ФМН)- FeS] ФМНН2 КоQ КоQН2

в → С₁ → С → α→ α₃ +1/₂O₂ → H₂O цитохромы+0,07+0,23+0,25+0,29+0,55+0,82

Литература:

А. Основные: 1. Биохимия. Т.Т.Берёзов, Б.Ф.Коровкин. 2010

2. Биохимия. Б.А.Строев. 1986

Б. Дополнительные:

1. Медицинская биохимия. С.М.Рапапорта. 1976

2.Биохимия. Р.Страер. 1985

3.Северин. 2003