Тема: биологическое окисление. Тестовый контроль (стр. 4 )

Наибольшее изменение свободной энергии дают реакции окисления.

Биологические реакции окисления субстратов могут осуществляться анаэробным и аэробным путями.

Перенос электронов осуществляется с участием специфических дегидрогеназ, в составе которых присутствуют коферменты НАД +или ФАД.

Восстановленный Окисленный

субстрат + НАД +(ФАД) су бстрат + НАДН + Н+ ( ФАДН2)

В случае анаэробных процессов окисление восстановленных форм пиридиннуклеотидов

для регенерации окисленной формы осуществляется без участия кислорода, при помощи окислителя иной природы, который после своего восстановления удаляется из клетки.

Полностью анаэробный тип обмена характерен для небольшого вида клеток или структур организма человека, к ним следует отнести эритроцит, белые мышцы, водитель сердца. Учитывая их физиологические функции, становится ясным, почему процессы катаболизма в них не должны зависеть от присутствия кислорода.

Окислителем НАДН служит пировиноградная кислота.

НАДН + Н+ + пируват НАД+ + лактат

В случае аэробного типа обмена конечным акцептором протонов и электронов является кислород. Восстановленный пиридиннуклеотид не окисляется кислородом, передача

электронов происходит с участием переносчиков, которые расположены во внутренней мембране митохондрии. Переносчики располагаются в соответствии с изменением их редокс-потенциала и носят название «дыхательная цепь» (митохондриальная электронтранспортная цепь) Заключительным этапом является восстановление кислорода и образование воды.

½ О2 + 2Н+ + 2е = Н 2О

В сутки образуется 300 – 500 г метаболической воды.

Только аэробный тип обмена присущ нейронам, поэтому мозг чрезвычайно чувствителен

к гипоксии и гибель нейронов наступает через 5-7 мин после прекращения поступления кислорода. В большинстве тканей возможны оба пути обмена.

Запасание энергии химических связей происходит путем образования особых высокоэнергетических соединений (макроэргических соединений, МЭС).

В организме человека встречаются МЭС: фосфаты и тиоэфиры.

Фосфаты	- G Ккал/ моль	Тиоэфиры	- G Ккал/моль
Фосффоенолпируват	14,8	СукцинилКоА	8,7
1,3-дифосфоглицерат	11,8	АцетилКоА	3,7
АТФ	7,0

АТФ – самое распространенное МЭС в организме. В физиологических условиях клетки изменение свободной энергии при гидролизе макроэргической связи составляет -7,3 ккал/моль(- 30 кДж/моль), максимальное значение - 12 ккал/ моль.

Пионером в изучении процессов биологического окисления в 18 веке был французский ученый А. Лавуазье, который указал на участие кислорода, сравнив процесс окисления с горением. Позднее российский ученый предположил перекисную теорию окисления и образование перекисных соединений.

Другой российский ученый ботаник и биохимик доказал, что существуют особые переносчики водорода – дегидрогеназы и что в составе СО2 атомы кислорода

не имеют происхождение от кислорода вдыхаемого воздуха.

Пути использования кислорода в клетке:

энергетический путь обмена - восстановление кислорода в электронтранспортной цепи митохондрий (митохондриальное биологическое окисление, БО, используется примерно 90% поступающего кислорода ). Процесс сопровождается образованием АТФ и выделением воды.. Ферменты, передающие электроны непосредственно кислороду, называются оксидазы (например, в митохондрии - цитохромоксидаза а/а3) пластический путь обмена - восстановление кислорода в электронтранспортной цепи, расположенной в мембранах ЭПР (микросомальное БО). Процесс связан с синтезом гормонов, нейромедиаторов, метаболизмом ксенобиотиков, в том числе лекарственных препаратов, и образованием активных форм кислорода. Оксидоредуктазы, участвующие в этих реакциях, имеют рабочее название оксигеназы. Монооксигеназы или гидроксилазы включают в состав субстрата один атом, диоксигеназы - два атома кислорода. образование активных форм кислорода-свободно-радикальное окисление ( используется примерно 5% кислорода) - важный фактор в процессе адаптации клетки, процессах клеточной защиты (фагоцитоз). Возможны каталитические и некаталитические пути возникновения активных форм: супероксид – аниона, пероксида водорода, гидроксид-радикала.

Питание – представляет собой составную часть обмена веществ и создает условия для организации промежуточного обмена. Из продуктов питания образуются затем конечные продукты катаболизма - вода, углекислый газ и мочевина, которая содержит азот поступающих белков, аминокислот.

При сбалансированном питании соотношение белки : жиры: углеводы равно 1:1:4.

Продукты питания перевариваются в ЖКТ и превращаются в более простые вещества. Несколько упрощая, можно сказать:

углеводы( крахмал, сахароза, лактоза) превратятся в глюкозу, белки – в свободные аминокислоты, жиры - в глицерин и высшие жирные кислоты.

Попав внуть клетки, вещества метаболизируют и образуют несколько унифицированных общих субстратов.

Глюкоза, глицерин, часть аминокислот в цитоплазме клетки превращаются в пировиноградную кислоту.

В анаэробных условиях пируват восстанавливается в молочную кислоту, которая

является конечным продуктом обмена для белых мышц, эритроцитов. Лактат

выделяется в кровь. Жирные кислоты в анаэробных условиях не метаболизируют.

В присутствие кислорода пируват, жирные кислоты и аминокислоты в матриксе митохондрии превращаются в активную форму уксусной кислоты АцетилКоА. Начинается новый этап катаболических реакций биологического окисления - цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса.

Вещество оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота, щук) непрерывно регенирирует в циклическом процессе, а два атома углерода АцКоА выделяются в виде двух молекул СО2.

Для поддержания достаточной концентрации ЩУК возможен дополнительный синтез ее с участием фермента пируваткарбоксилазы. Реакции, играющие такую роль, называются анаплеротическими.

Пируват + СО2 + АТФ = ЩУК + АДФ + Фн

Последовательность превращений субстратов в цикле Кребса:

АцКоА + ЩУК ----1----цитрат--2-- цис-аконитовая кислота--2---изоцитрат---3----

α - кетоглутарат----4---сукцинилКоА-----5-----сукцинат----6-----фумарат---7----

-малат---8----ЩУК

Ферменты:

цитратсинтаза ( лиаза) аконитаза, катализирует обе реакции дегидратации и гидратации (лиаза) изоцитратДГ ( НАД ---------НАДН + Н+, оксидоредуктаза, выделяется СО2 ) α –кетоглутатарат ДГ ( мультиферментный комплекс, содержит ТПФ, липоевую кислоту, НS КоА, ФАД, НАД------НАДН + Н+, выделяется СО2 ). сукцинилтиокиназа (синтетаза). СукцКоА - макроэргическое соединение.

Превращение СукцКоА-------сукцинат сопровождается синтезом ГТФ

ГДФ + Ф = ГТФ

Синтез АТФ, который осуществляется за счет энергии макроэргической связи субстрата, называется субстратное фосфорилирование.

6. сукцинатДГ ( ФАД-------ФАДН2, оксидоредуктаза )

7. фумараза (лиаза)

8. малат ДГ (НАД------НАДН + Н+, оксидоредуктаза)

Важнейшими регуляторными реакциями считаются 1, 3, 4. Их активность зависит от соотношения НАД/ НАДН и АДФ/ АТФ. Самой медленной является реакция 3. Реакция 1 активируется при повышении концентрации ЩУК и тормозится при накоплении цитрата. НАД, НАДН, Вещества сукцКоА, КоА, ацетилКоА не имеют белков - переносчиков и не могут пройти в цитозоль из матрикса сквозь мембрану митохондрии.

Электронтранспортная цепь митохондрий ( дыхательная цепь)

«Всякий, кто не запутался в проблеме окисл ительного фосфорилирования, просто не понял ситуации»

биохимик Э. Рэкер

Первичные акцепторы водорода НАД+ и ФАД образуют восстановленные формы НАДН и ФАДН2 , которые далее окисляются на внутренней мембране митохондрии,

передавая, в конечном счете, электроны кислороду. Передачу электронов осуществляет электронтранспортная цепь (дыхательная цепь). Движущей силой процесса является возникновение разности потенциалов между восстановителем и окислителем.

Стандартные редокс-потенциалы ( v) некоторых сопряженных пар в дыхательной цепи:

НАД+ / НАДН - 0, 32 Цит в( Fe3+ / Fe2+) + 0, 07 ФАД / ФАДН2 - 0, 05 Цит с1 (Fe3+ / Fe 2+ ) + 0, 23

Q / QH2 + 0, 04 Цит а3 ( Fe3+ / Fe2+) + 0, 55

½ О2 + 2Н+ + 2е / Н2О + 0, 82

В соответствие с изменением редокс – потенциала переносчики электронов

располагаются в последовательности

комплекс 1 комплекс 3 комплекс 4

субстратН2 –НАД+--ФМН—FeS --Q----цит в---цит с1-- FeS --цит с---цит а/а3---1/2О2

-0, 32 v | + 0,8v

изоцитрат ФАД комплекс 2, сукцинат ДГ

кетоглутарат |

малат СубстратН2

сукцинат

В цепи возникает разность потенциалов Е=(+0.80 – (-0.32)) = 1, 12 в, ей соответствует изменение свободной энергии 52 ккал/моль ( 220 кДж / моль).

G = - n. F. E ( 1)

n – количество перенесенных электронов n = 2

F – число Фарадея, 25 000 кул.

E - разность потенциалов. Е = 1,12 в.

Примерно 40 -45 % этой энергии, около 24 ккал/моль, расходуется на синтез АТФ.

Учитывая, что энергия макроэргической связи АТФ равна 7,3 ккал/ моль, количество используемой энергии позволяет синтезировать максимально 3 моль АТФ при переносе двух электронов по дыхательной цепи.

Используя формулу (1) можно рассчитать, какая разность потенциалов на участке переноса электронов необходима для синтеза одной макроэргической связи.

7,3 = 2 . 25 000. Е Минимальное значение равно 0,17 в.

Ферменты тканевого дыхания располагаются на внутренней мембране митохондрии.

Все компоненты электронтранспортой цепи - белки( за исключением коэнзима Q), которые содержат небелковые коферменты, способные участвовать в окислительно-восстановительных реакциях: ФМН, железосульфидные белки, гем, содержащий ионы железа ( цитохромы в, с1 , с, а, а3 ) и меди ( цит. а3 ).