Биохимия семестр 1

Коэффициент P/O

Энергетическую ценность и выгодность окисления вещества можно подсчитать. Количество

полученной энергии при окислении того или иного соединения характеризует количество АТФ,

а эффективность использования энергии вещества и ее захвата – коэффициент

P/O.

Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФсинтазой, к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу Н2О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.

Расчет энергетической ценности окисления вещества и коэффициента Р/О

Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH+H+ принимался равным 3,0, для ФАДH2 – 2,0.

По современным данным значение коэффициента P/O для

НАДH+H+ соответствует 2,5, для ФАДH2 – 1,5.

При расчете энергетической ценности, т.е. количества АТФ, образующейся при окислении вещества, и коэффициента Р/О необходимо представлять себе весь путь этого вещества до полного окисления его углеродных атомов в СО2. При этом необходимо учитывать число атомов углерода в молекуле.

Для расчета Р/О при окислении какойлибо молекулы необходимо учитывать следующее:

•для синтеза одной молекулы АТФ и ее переноса ее в цитозоль требуется 4 протона,

•восстановленный эквивалент (молекула НАДН+H+ или ФАДН2) передает в цепь переноса электронов по 2 электрона.

•для восстановления кислорода в воду необходима 1 пара электронов.

•при прохождении пары электронов через всю дыхательную цепь (от НАДН+H+), т.е. через I, III, IV

комплексы выкачивается 10 ионов Н+, их энергии достаточно для синтеза 2,5 молей АТФ.

•при прохождении пары электронов от ФАДН2 через III и IV комплексы дыхательных ферментов выкачивается 6 ионов

Н+, их энергии достаточно для синтеза 1,5 моля АТФ.

7. Терморегуляторная функция дыхательной цепи. Механизм разобщения окисления и фосфорилирования. Роль бурой жировой ткани.

При переносе электронов по ЦПЭ часть энергии рассеивается в виде теплоты, которая используется теплокровными животными для поддержания температуры тела.

При использовании АТФ для совершения полезной работы значительная часть энергии также превращается в теплоту. При снижении температуры тела включается механизм дрожания (несогласованного сокращения отдельных групп мышц). При этом за счет АТФ-азной активности актомиозина происходит гидролиз АТФ до АДФ и Н3РО4, что стимулирует тканевое дыхание. Полезной работы при этом не происходит, большая часть энергии переходит в теплоту и температура тела повышается. Кроме того дополнительное образование теплоты может происходить путем разобщения дыхания и фосфорилирования в процессе адаптации к холоду.

При охлаждении в жировой ткани из симпатических нервных окончаний освобождается норадреналин, который активирует ТАГ-липазу.

При активации липазы в клетках повышается концентрация свободных жирных кислот, которые способны разобщать тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование, участвуя в транспорте протонов через митохондриальную мембрану.

Разъединение (разобщение) процессов окисления и фосфорилирования осуществляют вещества, называемые разобщители. Они снижают

величину электрохимического градиента, что приводит к уменьшению синтеза АТФ, несмотря на увеличение скорости движения электронов по дыхательной цепи и возрастание катаболизма.

К разобщителям в первую очередь относят "протонофоры" – молекулы, переносящие ионы водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента

– электрический и химический, и энергия градиента не используется для синтеза АТФ,

а рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке.

Классическим экспериментальным протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющий ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающий их на внутренней поверхности. Физиологическими протоноф орами являются особые разобщающие белки, в частности термогенин (см ниже).

Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру,

являются салицилаты, дикумарол, жирные кислоты, непрямой билирубин, трийодтиронин.

Кроме протонофоров на величину электрохимического градиента

влияют вещества, называемые ионофорами. Они встраиваются в мембрану и либо сами переносят катионы Na+ или K+ внутрь, либо образуют для этих ионов канал. В результате исчезает электрическая составляющая градиента и уменьшается синтез АТФ. Примером ионофоров являются антибиотики валиномицин и нигерицин, переносящие калий, и грамицидин, образующий в мембране канал по которому перемещаются калий, натрий и другие одновалентне катионы.

Бурая жировая ткань

При фосфорилировании АТФ-синтазой АДФ до АТФ используется не вся энергия протонного градиента, лишь его часть тратится на совершение работы (синтез АТФ), а другая часть рассеивается в виде тепла.

Особые клетки организма умеют увеличивать долю рассеиваемой тепловой энергии – это клетки бурой жировой ткани.

В отличие от белых жировых клеток бурые адипоциты содержат большое количество митохондрий, которые и придают им бурокрасный цвет. Во внутренней мембране митохондрий этих клеток имеется белок термогенин (до 15% от всех белков

митохондрий), относящийся к семейству разобщающих белков, называемых UCP-

белки (англ. uncoupling protein).

При охлаждении организма бурые адипоциты получают сигналы по симпатическим нервам, и в них активируется расщепление жира – липолиз. Окисление жиров приводит к получению большого количества НАДН и ФАДН2, активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента.

Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток относительно мало, зато много термогенина, близкого по строению к Fо-субъединице АТФ-синтазы. Термогенин является каналом во внутренней мембране через который в матрикс проходит часть ионов Н+ и снижается протонный градиент.

В итоге АТФ не синтезируется, несмотря на непрерывно возрастающий (по правилу дыхательного контроля) катаболизм. Благодаря термогенину большая часть

энергии ионов водорода рассеивается в виде тепла, подогревая протекающую через ткань кровь и обеспечивая поддержание температуры тела при охлаждении.

Открыто несколько типов UCP-белков: UCP-1 (термогенин) преобладает в бурой жировой ткани, UCP-2 – есть и в бурой и белой жировой ткани, UCP-3 – в cкелетных мышцах, UCP-4 и UCP-5 – обнаружены в нейронах.

8. Ингибиторы дыхательной цепи: примеры и механизмы действия

Ингибирование ферментов дыхательной цепи

Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН2 на кислород. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н+ и работа АТФ-синтазы. Синтез АТФ резко снижается, метаболизм в клетке нарушается вплоть до ее гибели.

Выделяют три основных группы ингибиторов:

•действующие на I комплекс, например, амитал (успокаивающее и снотворное средство), ротенон (пестицид широкого спектра),

•действующие на III комплекс,

например, антимицин А (экспериментальный антибиотик),

•действующие на IV комплекс,

например, сероводород (H2S), угарны й газ (СО), цианиды (-CN).

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи

Ротенон - растительный пестицид из семян и стеблей некоторых растений. Он малоопасен для человека, поскольку плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте, и быстро разлагается на солнечном свете. Но умышленное поглощение ротенона может быть смертельным.

Амитал, Амитал натрия - производное барбитуровой кислоты из серии средств, которые ранее широко использовались в качестве успокоительных и снотворных, но из-за ряда причин, в том числе узкого терапевтического диапазона, развития привыкания и зависимости, были заменены на более безопасные средства.

Антимицины - группа вторичных метаболитов, синтезируемых бактериями рода Streptomyces, обладающих антигрибковой активностью. Как активный компонент используется в рыбоводстве.

9. Связь катаболических и анаболических процессов. Роль флавиновых и никотиновых коферментов.

Коферменты – органические природные соединения небелковой природы, необходимые для осуществления каталитического действия ферментов.

Витамин РР (никотинамид, ниацин, витамин В5, антипеллагрический витамин)

Витамин РР всасывается в желудке и тонком кишечнике путем простой диффузии. С током крови он доставляется в ткани, где превращается в НАД или НАДФ; в их составе витамин РР содержится внутри клетки, так как НАД и НАДФ не проходят через биологические мембраны.

Биологическая роль НАД и НАДФ заключается в следующем:

1. Они являются коферментами пиридиновых дегидрогеназ (НАД- и НАДФ-зависимых): НАД – зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах окисления ряда субстратов путем переноса атомов водорода от

окисляемого субстрата посредством дыхательной цепи митохондрий, на кислород и таким образом выполняют выполняют энергетическую функцию;

2. НАДФ – зависимые дегидрогеназы участвуют в микросомальном окислении; выполняют пластическую и дезинтоксикационную функцию.

3. НАД и НАДФ являются не только переносчиками водорода, но и аллостерическими эффекторами ряда ферментов,.в частности, дегидрогеназ цикла трикарбоновых кислот)

4. НАД в качестве субстрата ДНК-лигазной реакции участвует в процессах репликации и репарации ДНК, обеспечивая нормальное деление клеток быстро пролиферирующих тканей (кожи, слизистых оболочек и др.)

Флавиновые дегидрогеназы в качестве простетической группы содержат в своем составе либо ФМН, либо ФАД.

ФМН (флавинмононуклеотид) синтезируется в организме из рибофлавина (витамина В2) и АТФ при участии флавинкиназы и представляет собой фосфорный эфир рибофлавина.

ФАД (флавинадениндинуклеотид) образуется в тканях из ФМН и АТФ.

ФМН – зависимые дегидрогеназы принимают атомы водорода от НАДН2.

ФАД-зависимые дегидрогеназы, как и пиридиновые ферменты, выполняют функцию первичных дегидрогеназ и акцептируют атомы водорода от ряда окисляемых субстратов (сукцината, жирных кислот, глицерофосфата, холина и т.д.) с образованием ФАДН2.

Пути катаболизма основных нутриентов. Общий путь катаболизма. Окисление пирувата и цикл трикарбоновых кислот.

1. Специфические пути катаболизма основных нутриентов.

В катаболизме различают три стадии:

1)Полимеры превращаются в мономеры (белки – в аминокислоты, углеводы в моносахариды, липиды – в глицерол и жирные кислоты). Химическая энергия при этом рассеивается в виде тепла.

2)Мономеры превращаются в общие продукты, в подавляющем большинстве в ацетил-КоА. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, частично накапливается в виде восстановленных коферментных форм (НАДН, ФАДН2), частично запасается в макроэргических связях АТФ (субстратное фосфорилирование).

1-ая и 2-ая стадии катаболизма относятся к специфическим путям, которые уникальны для метаболизма белков, липидов и углеводов.

3) Заключительный этап катаболизма, сводится к окислению ацетил-КоА до СО2 и Н2О в реакциях цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) – общий путь катаболизма. Окислительные реакции общего пути катаболизма сопряжены с цепью тканевого дыхания. При этом энергия (40-45%) запасается в виде АТФ (окислительное фосфорилирование).

В результате специфических и общих путей катаболизма биополимеры (белки, углеводы,

липиды) распадаются до СО2, Н2О

иNH3.

2. Общий путь катаболизма. Связь катаболизма и синтеза АТФ.

Общий путь катаболизма — совокупность биохимических процессов, которая включает в себя:

•окисление пирувата до ацетил-КоА;

•окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот;

•выделение и аккумулирование энергии при дегидрировании метаболитов общего пути катаболизма в митохондриальных цепях переноса электронов.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТФ.

(см. методичку к 13 занятию)

3. Пути образования пирувата и ацетилКоА. Биологическое значение. 4. Окислительное декарбоксилирование пирувата: ферменты и коферменты, механизмы протекания реакций.

Пировиноградная кислота — химическое соединение с формулой СН3(СО)СООН, органическая кетокислота.

Пируваты (соли пировиноградной кислоты)

— важные химические соединения в биохимии. Они представляют собой конечный продукт метаболизма глюкозы в процессе гликолиза.

Существует два вида гликолиза в зависимости от доступности кислорода.

1.Аэробный гликолиз -конечный продукт – две молекулы пирувата и 8 моль АТФ (пока не считаем последующий распад пирувата)

2.Анаэробный гликолиз – конечный продукт – две молекулы лактата и две молекулы АТФ)

ГЛИКОЛИЗ

Этап с поглощением энергии

Стадия 1. Фосфатная группа переносится с молекулы АТФ в глюкозу, образуя глюкозо- 6-фосфат. Глюкозо-6-фосфат — более реакционноспособная (или активная) молекула, чем глюкоза, а наличие фосфатной группы не даёт ей покинуть клетку, поскольку фосфат не способен пройти сквозь мембрану.

Стадия 2. Глюкозо-6-фосфат преобразуется в изомер — фруктозо-6-фосфат.

Стадия 3. Фосфатная группа с молекулы АТФ переносится на фруктозо-6-фосфат с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата.

Эта стадия катализируется ферментом

фосфофруктокиназой, которая может ускорять или замедлять скорость гликолиза

Стадия 4. Фруктозо-1,6,-бисфосфат расщепляется на две 3-углеродные

молекулы: дигидроксиацетонфосфат ДГАФ и глицеральдегид-3-фосфат. Эти молекулы являются изомерами, но лишь одна из них

— глицеральдегид-3-фосфат — может непосредственно перейти на следующие стадии гликолиза.

Стадия 5. ДГАФ преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. Эти две молекулы находятся в равновесии, но их равновесие, указанное на схеме выше, очень сильно «сдвигается» вниз по мере дальнейшего использования глицеральдегид-3-фосфата. Таким образом, весь ДГАФ преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат.

Этап с выделением энергии

Стадия 6. Одновременно протекают две реакции.

1)Окисляется глицеральдегид-3-фосфат — одна из 3-углеродных молекул, образовавшихся на первом этапе.

2)НАД+ восстанавливается до НАДH и H+

Эта стадия является экзергонической, в её процессе высвобождается энергия, которая затем используется для фосфорилирования молекулы с образованием 1,3- бисфосфоглицерата.

Стадия 7. 1,3-бисфосфоглицерат отдаёт одну из фосфатных групп молекуле АДФ с образованием молекулы АТФ, превращаясь при этом в 3-фосфоглицерат.

Стадия 8. 3-фосфоглицерат превращается в его изомер, 2-фосфоглицерат.

Стадия 9. 2-фосфоглицерат теряет молекулу воды, превращаясь в фосфоенолпируват (ФЕП). Это нестабильная молекула, способная терять свою фосфатную группу на последнем этапе гликолиза.

Стадия 10. ФЕП с легко отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, в результате чего образуется вторая молекула АТФ. Потеряв фосфатную группу, ФЕП превращается в пируват — конечный продукт гликолиза.

Окисление Пирувата

После гликолиза остаются две молекулы пирувата с большим количеством энергии, которую можно из них извлечь. Окисление пирувата — это следующий шаг в получении оставшейся энергии в виде АТФ, хотя ATФ не производится непосредственно во время окисления пирувата.

В

целом, окисление пирувата превращает пируват - трехуглеродную молекулу - в ацетил -КоА— 2-углеродную молекулу, присоединенную к коферменту A.

Одновременно образуется НАДH и выделяется одна молекула углекислого газа. АцетилКоА выступает в качестве топлива

для цикла трикарбоновых кислот на следующем этапе клеточного дыхания.

Перед началом химических реакций пируват должен попасть внутрь митохондрии, пройдя сквозь её мембрану в матрикс.

Стадии окисления пирувата

Суммарное уравнение отражает окислительное декарбоксилирование пирувата, восстановление НАД до НАДН и

образование ацетил-SKoA.

Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса

насчитывают 3 фермента и 5 коферментов:

•Пируватдегидрогеназа (Е1, ПВКдегидрогеназа), ее коферментом является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1-ю реакцию.

•Дигидролипоат-ацетилтрансфераза (Е2), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2-ю и 3-ю реакции.

•Дигидролипоат-дегидрогеназа (Е3), кофермент – ФАД, катализирует 4-ю и 5-ю реакции.

Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется пируватдегидрогеназой, Е1), окислению полученного гидроксиэтила до ацетила и переносу ацетила на коэнзим А (катализируется дигидролипоатацетилтрансферазой, Е2).

Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное состояние (катализируются дигидролипоат-дегидрогеназой, Е3). При этом образуется НАДН.

5. Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса.

Регулируемым ферментом ПВКдегидрогеназного комплекса является первый фермент

– пируватдегидрогеназа (Е1).

Два вспомогательных фермента

– киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования.

Вспомогательный фермент киназа активируется при избытке

конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ПВКдегидрогеназного комплекса

– НАДН и ацетил-S-КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается.

Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином,

отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Таким образом, работа пируватдегидрогеназы подавляется при избытке в митохондрии (в

клетке) ацетил-SКоА и НАДН, что позволяет снизить окисление пирувата и, следовательно, глюкозы в случае когда энергии достаточно.

Если АТФ мало или имеется влияние инсулина, то образуется ацетил-

SКоА. Последний в зависимости от условий будет направляться либо в цикл трикарбоновых кислот с образованием энергии АТФ, либо на синтез холестерина и жирных кислот.

6. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций, ферменты, биологические функции. 8. Анаболические функции цикла трикарбоновых кислот.

Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких-либо иных веществ.

Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-SКоА в восьми последовательных реакциях.

1) В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с образованием цитрата (лимонной кислоты),

2)Далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата

3-4) Две реакции дегидрирования с сопутствующим выделением СО2 и восстановлением НАД.

5) В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования.

6)Далее последовательно происходит ФАД-зависимое дегидрирование сукцината (янтарной кислоты)

7)Гидратация фумаровой кислоты до малата (яблочная кислота),

8)Далее НАД-зависимое дегидрирование с образованием оксалоацетата.

В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Функции ЦТК

1.Энергетическая

•генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2,

•синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).

2.Анаболическая.

•В ЦТК образуются предшественник гема – сукцинил-SКоА,

•кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α- кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,

•лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот,

•оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы.

7. Анаплеротические реакции цикла трикарбоновых кислот: биологическое значение и ферменты, их катализирующие.

Метаболиты ЦТК служат предшественниками в синтезе других соединений, поэтому их концентрация должна восполняться. Этому способствуют анаплеротические реакции, в ходе которых синтезируются метаболиты ЦТК. Обычно катаплеротические и анаплеротические реакции находятся в динамическом балансе, поэтому концентрация метаболитов ЦТК остаётся примерно на одном уровне.

Пируваткарбоксилаза

Важнейшая анаплеротическая реакция в печени и почках у человека — обратимое карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата, катализируемое пируваткарбоксилазой.

В ходе этой реакции затрачивается одна молекула АТФ. В отсутствие ацетил-КоА фермент практически неактивен. Ацетил-КоА служит его аллостерическим активатором, поэтому, как только концентрация ацетил-КоА возрастает, реакция возобновляется и образуется больше молекул оксалоацетата. Возрастает скорость первой реакции ЦТК, поскольку концентрация доступных субстратов повышается.

Пируват + HCO3– + АТФ + H2O

Оксалоацетат + АДФ + Фн + 2H+

Малик-фермент

Малик-фермент (или малатдегидрогеназа декарбоксилирующая) катализирует реакцию карбоксилирования и восстановления пирувата в малат. Донором протона и электронов в этой реакции является NADH, который окисляется до

NAD+.

Пируват + HCO3– + NADH Малат + NAD+

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа (фосфо-енол-пируват-карбокси-киназа)

В норме фосфоенолпируваткарбоксикиназа катализирует декарбоксилирование и фосфорилирование оксалоацетата с образованием фосфоенолпирувата. Однако эта реакция может протекать и в обратном направлении (это происходит не часто).

Фосфоенолпируват + ГДФ + CO2 Оксалоацетат + ГТФ

Реакции катаболизма аминокислот

В ходе окисления многие аминокислоты распадаются до метаболитов ЦТК: аланин, цистеин, глицин, треонин, триптофан и серин катаболизируются до пирувата; изолейцин, метионин, треонин и валин — до сукцинил-КоА (важный анаплеротический путь), глутамат и глутамин — до α- кетоглутарата; аспартат, фенилаланин и тирозин — до фумарата, аспарагин и аспартат — до оксалоацетата.

Реакции катаболизма жирных кислот

Жирные кислоты с нечётным числом атомов окисляются с образованием пропионилКоА, который далее образует сукцинил-КоА и включается в ЦТК.