Биологическое окисление (тканевое дыхание) лекции Т.В. ЖАВОРОНОК доцент кафедры

биохимии и молекулярной биологии СибГМУ

из окружающей среды при помощи высоко интегрированной системы химических реакций,

называемой «обмен веществ» или «метаболизм».
Здесь «вещества» – это метаболиты.
Все процессы жизнедеятельности сопровождаются переносом веществ и энергии, которые тесно связаны между собой:
1) Пластические процессы – структурное обеспечение клеток и организма (биомембраны, рост…)
2) Энергетические процессы – обеспечение энергией
Метаболизм основан на высоко интегрированной мультиферментной системе

из внешней среды (белки, жиры, углеводы, соли, О2, Н2О…)
Промежуточный (тканевой)

состоит из 2 фаз:
1) катаболизм, в котором происходит расщепление сложных органических молекул до простых конеч-ных продуктов; при этом высвобождается энергия, заключённая в сложной структуре больших органических молекул. На определённых этапах эта энергия реализуется (трансформируется): • в макроэргические связи остатков фосфорной кислоты молекул АТФ; • в восстановительные эквиваленты (запас в виде НАДФН·Н), обеспечивающие процессы синтеза.

сложные органические макромолекулярные компо-ненты клеток (белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы),

что сопровождается расходом энергии.
Эти 2 фазы протекают в клетках одновременно и связаны веществом и энергией:
(Б,У,Л) (Б,У,Л) специфические
катаболизм АТФ (~Р) анаболизм
низкомолекулярные продукты энергия
в-ва НАДФН·Н
молекулы-предшественники

две фосфо-ангидридные связи. При гидролизе АТФ→АДФ+Фн высвобождается большое количество свободной

энергии ΔG = 7,3 ккал/моль
АТФ – главный непосредственный донор свободной энергии, а не форма запасания энергии. Весь АТФ расходуется в клетке в течение 1 минуты
Чтобы получить необходимые ежедневно средне-статистическому человеку 2500 ккал нужно 40 кг АТФ, а в организме всего 50 г = АТФ+АДФ+АМФ → каждая молекула АТФ в сутки тысячи раз фосфорилируется и дефосфорилируется, что снижает её время жизни → постоянный синтез АМФ

углеводы липиды(жиры)

I стадия
(специфи-
20 АК глюкоза глицерол+СЖК ческая)
ДОАФ
пируват (СН3-СО-СООН) II стадия
СО2 (неспецифи-
ацетил~КоА (СН3-СО~SКоА) ческая)
III стадия
ЦТК 2 СО2 (общий этап
ẽ ẽ (ФАДН2 3 НАДН·Н) обмена Б,Ж,У)
дыхательная цепь митохондрий О2+2H+→Н2О

стадия – превращение мономеров в ключевые метаболиты (ацетилКоА и пируват),

одинаковые вещества образуются в разных видах обмена, за счёт них обменные процессы взаимосвязаны.
III стадия – ЦТК и окислительное фосфорилирование. Представляют собой конечные общие пути в окислении топливных молекул. ЦТК – циклическая последовательность из 8 реакций, начинается с ОА. Тканевое дыхание (биологическое окисление) – процесс превращения Б,У,Ж в аэробных условиях до конечных продуктов СО2 и Н2О, а энергия химических связей этих соединений реализуется в виде макроэргических связей остатков Н3РО4 молекул АТФ. СО2 образуется в ПДГ-комплексе и ЦТК (две реакции декарбоксилирования), Н2О образуется в конце дыхательной цепи при переносе ẽẽ и H+ на кислород.

СН3СОСООН(окислительное) заканчивается: 1) переносом части окисляемых H+ на

НАД с образованием НАДН·Н → в дыхательную цепь; 2) переносом образуемой в результате удаления СО2 уксус-ной кислоты на коэнзим А с образованием Ас~КоА → в ЦТК.
Большинство топливных молекул вступают в ЦТК после превращения в Ас~КоА. В ЦТК идёт катаболизм (распад) Ас~КоА до 2СО2, часть энергии аккумулируется в виде ГТФ→АТФ за счет субстратного фосфорилирования, а 4H+ переносятся на 1 молекулу ФАДН2 и 3 молекулы НАДН·Н и поступают → в дыхательную цепь.
ЦТК выполняет ещё и анаболическую функцию – поставляет промежуточные продукты для биосинтезов: - для глюкозы (в процесс глюконеогенеза), - для аминокислот (в процесс переаминирования)

ЦТК (1

ФАДН2 и 3 НАДН·Н)

СН3-СО~SКоА

с высоким потенциалом переноса: у НАДН·Н редокс-потенциал=-0,32В (первичный

донор дыхательной цепи), у молекулы О2 редокс-потенциал=+0,82В (конечный акцептор цепи), остальные компоненты дыхательной цепи занимают промежуточное положение. Перепад энергии используется для генерирования АТФ.
Процесс образования АТФ сопряжён с транспортом ẽ по цепи переносчиков от НАДН·Н или ФАДН2 к О2, называется «окислительное фосфорилирование».

субстратов идёт за счёт дегидрирования, т.е. без непосредственного участия О2,

который присоединяется только на последнем этапе
Механизм протекания процесса окислительного фосфорилирования предложил П.Митчел, сформулировав его в виде хемиосмотической теории

митохондрии.
2. ЦТК протекает в матриксе митохондрий и поставляет большую

часть НАДН·Н и ФАДН2 .
3. Окисление и фосфорилирование – процессы сопряжённые, характеризуются отношением Р/О (это число молекул неорганического фосфата, включающегося в органические формы в расчёте на 1 атом потребляемого О2).
При окислении НАДН·Н индекс Р/О=3, т.е. НАДН·Н даёт 3 молекулы АТФ. При окислении ФАДН2 индекс Р/О=3, т.е. ФАДН2 даёт 2 молекулы АТФ.

Многоступенчатый транспорт ẽ от НАДН·Н и ФАДН2 к О2 способствует

выбросу H+ из матрикса митохондрии в межмембранное пространство и генерированию мембранного потенциала (протон-движущей силы). H+ перекачиваются 3-мя видами ẽ-переносящих комплексов. В процессе обратного тока H+ в митохонд-риальный матрикс через трансмембранный ферментный комплекс АТФ-синтетазу происходит синтез АТФ.

I – НАДН·Н - коэнзим Q
II – сукцинат(ФАДН2) -

коэнзим Q
III – коэнзим Q - цитохром с - редуктазный
IV – цитохром с - оксидазный

АТФ-синтазную систему считают V комплексом.

С НАДН протоны и электроны поступают на ФМН. На ФМН.H2

происходит разделение H+ и ẽ: перенос H+ на другую сторону мембраны, а ẽ идут через железосерные комплексы (железо-серные белки – это негемовые железопротеины) на коэнзим Q II комплекс (сукцинат(ФАДН2) - коэнзим Q)
H+ H+


FeS
ФМН.H2 ẽẽ Q---QH2 ẽẽ
ФМН


НАДН·Н ФАДН2
В итоге работы первых двух комплексов ẽ через флавопротеины поступают на КоQ и следуют далее на комплексы цитохромов

I

I I

(в 3-х комплексах: I, III, IV) пересекают мембрану от внутренней

поверхности к наруж-ной и при этом в межмембранное пространство выбрасывается по 2H+. Комплексы цитохромов переносят только ẽ, используя FeS-белки.

H+ H+ H+ H+ H+ H+

I

III

IV

из матрикса в межмембранное пространство, где концентрация Н+ возрастает.
Протонный

градиент, образованный окислительным транспортом электронов, представляет собой резервуар свободной энергии. Теперь, если обеспечить поток Н+ обратно сквозь мембрану, можно получить энергию.

компонентов:
1-й компонент – разница в концентрации ионов H+ на

противоположных сторонах мембраны.
Концентрационный градиент протонов обозначают как дельта рН (Δ рН).
Энергия концентрационного градиента не зависит от абсолютной величины рН. Она обусловлена разницей рН по обе стороны мембраны и составляет около 60 мэВ (Δ рН = 60 мэВ).

компонентом энергии протонного градиента является градиент электрического заряда Н+. Движение

зарядов через мембрану создает разницу в электрическом потенциале. В итоге возникает электростатическое поле, которое действует на все заряженные частицы. Второй компонент обозначают как мембранный потенциал – дельта пси (Δ), он составляет 160-180 мэВ.

протонов – это сумма концентрационного (или осмотического) и электрического компонентов:

ΔН = ΔрН + Δ = 230-240 мэВ

Таким образом, основной смысл хемиосмотического механизма в том, что первичным актом, запасающим энергию, является перенос протонов через внутреннюю мембрану митохондрии

мембраны митохондрии, которая плотнее наружной мембраны, поэтому 1) имеет высокое

электрическое сопротивление 2) выдерживает высокое электрическое напряжение
Мембрана находится под огромным напряжением = 400 000 мэВ/см Такое напряжение может выдерживать только неповрежденная мембрана

большого количества О2) - активация перекисного окисления липидов - набухание митохондрий

ведет к пробою мембраны
В этом случае Н+ не могут накапливаться в межмембранном пространстве, и митохондрия не выполняет своей главной функции – производства энергии и снабжения этой энергией всей клетки

сперматозоидов, диапедез лейкоцитов)
2) на осмотическую работу (перенос частиц через мембраны

– например ионов Са2+ в матрикс митохондрий или секреция ионов Н+ в полость желудка при образовании соляной кислоты)
3) на теплообразование (механизм см. в конце лекции)
4) на образование АТФ. В виде АТФ энергия используется для внутриклеточных процессов. Всего в 3-х точках дыхательной цепи создается достаточный уровень энергии ΔμН+, поэтому только за счёт этих 3-х точек происходит образование АТФ

из 2-х частей: 1 часть – сопрягающий фактор1 (F1) =

голова F1 - это белок с массой в 360 кДа, содержит 5 видов полипептидных цепей
Физиологическая роль F1 – катализ синтеза АТФ
2 часть – протонный канал (F0) АТФ-синтезирующего механизма

стебелек

ТРАНСЛОКАЗА

Н+ Н+
Н+ Н+

Н+ Н+
Н+ Н+

АДФ + Рi = АТФ

АДФ

Гипотеза П.Митчелла:
ток Н+ непосредственно действует на реакцию синтеза АТФ. Сначала

свободная фосфатная группа связывается с ферментом в активном участке F1-компонента комплекса, (вблизи конца протонного канала через F0). По каналу под действием мембранного потенциала и градиента рН переходят два Н+.
Эти два Н+ воздействуют на один из кислородов фосфата и соединяются с ним, образуя молекулу воды. Фосфатная группа при этом становится активной и легко связывается непосредственно с АДФ, образуя АТФ.

F1

стебелёк

ТРАНСЛОКАЗА

Н+ Н+
Н+ Н+

Н+ Н+
Н+ Н+

АДФ + Рi = АТФ

АДФ

ТРАНС- ЛОКАЗА

химическую работу:
а) аллостерический регулятор,
б)

пластический материал для синтеза нуклеиновых кислот, коферментов,
в) источник цАМФ,
г) источник фосфатных групп для образования фосфорных эфиров,
д) источник энергии для процессов синтеза.

– регулируемый процесс.
Скорость может контролироваться концентрацией АДФ. Если в

митохондриях весь АДФ→АТФ, то это ведёт к торможению переноса ẽ в дыхательной цепи. Это обусловлено тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены, т.е. функционирование дыхательной цепи по окислению Н+ и ẽ не может осуществляться, если оно не сопровождается фосфорилированием АДФ.

но и разобщены или заингибированы

ГРУППЫ ИНГИБИТОРОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОГО

ОСФОРИЛИРОВАНИЯ 3 группы:
1) Ингибиторы собственно дыхательной цепи
2) Ингибиторы окислительного фосфорилирования
3) Разобщители окислительного фосфорилирования

соответствующих трем комплексам дыхательной цепи:
Первый участок блокирования – в

1-ом комплексе дыхательной цепи, где ингибиторы препятствуют НАД-зависимому окислению субстратов. Ингибиторы: барбитураты (амобарбитал), ротенон (очень токсичен; американские индейцы добывали его из растений и использовали в качестве яда при ловле рыб).

цитохромами b и с. Ингибитором является

антибиотик антимицин А
Третий участок блокирования – 4-й комплекс, т.е. цитохромоксидаза, локализованная в конце цепи. Ингибируется классическими ядами – сернистым водородом окисью углерода цианидом

и фосфорилирование в интактных митохондриях за счет того, что не

пропускает протоны через канал F0.
Атрактилозид блокирует окислительное фосфорилирование за счёт ингибирования фермента транслоказы, производящей поступление АДФ в митохондрию и выход АТФ из митохондрии.

цепи систему сопряжения процессов окисления и фосфорилирования.
В этих условиях

процесс дыхания происходит неконтролируемым образом, т.е. концентрации АДФ и Фн в этом случае не являются лимитирующими.
Разобщители обычно легко растворимы в липидном слое мембран, этим объясняется их разобщающее действие

тогда не может набраться достаточно водородных ионов для создания необходимой

ΔμН+, и энергия рассеивается. К этому типу относят динитрофенол и другие нитро- и галогенные производные фенола (связывают Н+ и переносят через мембрану), некоторые кислые продукты метаболизма, продукты ПОЛ.
2) Разобщители сами проникают через мембрану митохондрии и нейтрализуют заряд протонов, чем снижают ΔμН+. К ним относят многие антибиотики.

лекарственные вещества

– строфантин, папаверин, салицилаты
естественные метаболиты организма: - белок термогенин бурой жировой ткани (у страдающих ожирением бурого жира мало) - тиреоидные гормоны - жирные кислоты
Эндогенные разобщители важны для согревания организма на холоде (см. ниже механизм согревания)

гормона норадреналина. В результате увеличивается липолиз и повышается содержание жирных

кислот.
Активируется бета-окисление жирных кислот и увеличивается количество ацетил-КоА, что способствует возрастанию активности цикла Кребса, повышению содержания НАДН и ФАДН2, поступающих в дыхательную цепь, где растёт активность тканевого дыхания и увеличивается электрохимический потенциал

в обход V комплекса, создающего АТФ, поэтому энергия ΔμН+ рассеивается,

расходуясь на согревание. При этом на холоде человек дрожит, дополнительно идёт рефлекторное возбуждение терморецепторов.
При дрожании снижается содержание АТФ и увеличивается АДФ, которые регулируют активность цитратсинтазы, запускающей ЦТК. В ЦТК растёт концентрация НАДН и ФАДН2, что повышает разность электрохимического потенциала, расходуемого на согревание.
Итог: человек согревается