- •Тема: Биологическое окисление: этапы, цикл Кребса, пути использования кислорода в тканях.
- •Современные представления о биологическом окислении
- •Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания
- •Цикл Кребса
- •Реакции цтк
- •Энергетический баланс одного оборота цтк
- •Оксидазный путь использования кислорода в клетке
- •Хемиосмотическая теория Митчелла
- •Современные представления о механизме окислительного фосфорилирования
- •Механизм окислительного фосфорилирования
- •Процесс окисления
- •Процесс фосфорилирования
- •Сопряжения и разобщения окислительного фосфорилирования
- •Коэффициент окислительного фосфорилирования
- •Транспорт веществ через мембрану митохондрий
- •Теплопродукция
- •Дыхательный контроль
- •Лекция № 6 Тема: Биологическое окисление. Механизмы оксигеназного и свободно - радикального окисления веществ. Аоз клетки.
- •Оксигеназный путь использования кислорода
- •Монооксигеназные реакции
- •1. Микросомальные монооксигеназные системы
- •2. Митохондриальные монооксигеназные системы
- •Диоксигеназные реакции
- •Пероксидазный и радикальный пути использования кислорода
- •Образование активных форм кислорода
- •Свойства активных форм кислорода
- •Использование активных форм кислорода в организме
- •Повреждающее действие активных форм кислорода в организме
- •Антиоксидантная система
- •1. Ферментативная антиоксидантная система
- •2. Неферментативная антиоксидантная система
Оксидазный путь использования кислорода в клетке
Оксидазный путь потребления кислорода протекает в митохондриях, потребляет 90% О2 и обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.
Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии движении электронов по дыхательной цепи.
Окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в аэробных клетках.
Хемиосмотическая теория Митчелла
Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:
Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.
Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.
При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н+ из матрикса в межмембранное пространство.
При достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровождается синтезом АТФ.
Современные представления о механизме окислительного фосфорилирования
В настоящее время открыты все основные компоненты окислительного фосфорилирования, изучено их строение и свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, регуляция и механизмы некоторых стадий.
Механизм окислительного фосфорилирования
Окислительное фосфорилирование состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены.
Процесс окисления
Процесс окисления происходит при движении электронов по дыхательной цепи от субстратов тканевого дыхания на кислород. Дыхательная цепь окислительного фосфорилирования состоит из 4 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами.
Комплекс I – НАДН2 дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe2S2 и Fe4S4) белков.
Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.
Комплекс III – Комплекс b-c1 (фермент QH2 ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b562, b566, с1, и железо-серный белок.
Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а3) и 2 атома меди.
Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q10). Убихинон переносит по 2Н+ и 2е-.
убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинон
Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.
Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН2 дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c1, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.
Электрохимический потенциал. Компоненты дыхательной цепи располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе е- от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. При окислении 1 НАДН2 выделяется 220 кДж/моль свободной энергии.
I, III и IV комплексы дыхательной цепи используют 65-70% этой свободной энергии для переноса Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, 30-35% свободной энергии рассеивается в виде тепла.
Этапы движения е- по дыхательной цепи
2е- от НАДН2, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н+ (механизм переноса Н+ неизвестен).
КоQ с 2е- забирает у воды 2Н+ из матрикса и превращается в КоQН2 (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).
КоQН2 переносит 2е- на комплекс III, а 2Н+ в межмембранное пространство.
Цитохром С переносит е- c III комплекса на IV комплекс.
IV комплекс сбрасывает е- на О2, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н+ (механизм переноса Н+ неизвестен).
При переносе Н+ из матрикса в межмембранное пространство на внутренней мембране создается осмотический градиент протонов ∆рН = 60 мВ (при ∆рН=1) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый Н+ несет положительный заряд, на внутренней мембране также появляется разность потенциалов ∆V=160мВ, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно.
В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 60+160=220 мВ.
Механизм переноса Н+ через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е- с перемещением Н+.
Образовавшийся на внутренней мембране митохондрий электрохимический потенциал используется для:
фосфорилирования АДФ в АТФ;
транспорта веществ через мембрану митохондрий;
теплопродукцию.