- •Строение белка. Уровни структурной организации молекулы белка.
- •Строение, размер и форма белковой молекулы, функции белков.
- •Денатурация, причины и признаки, использование в медицине.
- •Ферменты. Особенности ферментативного катализа. Строение и структура ферментов.
- •Полиферментные комплексы, метаболоны.
- •Механизм действия ферментов. Этапы ферментативного катализа.
- •Факторы, определяющие активность ферментов [e], [s], [p], Km. Влияние pH, [p], tº, ионной силы на активность ферментов.
- •Изостерическая и аллостерическая регуляция.
- •Николаев а. Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989. С. 52–92.
- •Марри р. И др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 63–75.
- •Филиппович ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1993. С. 105–144.
- •1. Мультимедийная презентация.
- •Механизмы и роль аллостерической регуляции. Характеристика аллостерических ферментов. Виды ингибирования (обратимое, необратимое, конкурентное, неконкурентное, бесконкурентное).
- •Изоферменты, их природа, биологическая роль, строение лдг.
- •Изменение активности ферментов в онтогенезе.
- •Николаев а. Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989. С. 52–92.
- •Марри р. И др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 63–75.
- •Филиппович ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1993. С. 105–144.
- •1. Мультимедийная презентация.
- •Локализация ферментов в клетке, органоспецифические и маркерные ферменты.
- •Качественное обнаружение и количественное определение активности. Единицы активности (мe, катал). Удельная активность. Число оборотов ферментов.
- •Сопряженные ферментные системы их применение. Номенклатура, классификация ферментов (тривиальная, рациональная, систематическая). Принципы классификации.
- •Медицинская энзимология. Основные направления Применение ферментов в лабораторной диагностике, производственной практике и биотехнологии.
- •Энзимопатии. Патогенез энзимопатий. Энзимодиагностика, цель, задачи. Типы ферментов плазмы крови.
- •Энзимотерапия. Примеры. Иммобилизованные ферменты, липосомы, тени эритроцитов, вирусные векторы. Биотехнология.
- •История развития учения о биологическом окислении
- •Современные представления о бо. Основные этапы бо. Строение атф, природа макроэргичности.
- •Митохондрия. Строение, функции, сравнительная характеристика мембран митохондрий. Характеристика ферментов мембран, межмембранного пространства, мx матрикса.
- •Цтк, история открытия, реакции, ферменты, коферменты, субстраты. Биологическая роль, регуляция цтк. Метаболоны цтк.
- •1. Энергетическая функция.
- •2. Пластическая функция.
- •3. Регуляторная.
- •Строение дыхательной цепи (дц), комплексы, ингибиторы. Механизм работы. Пункты сопряжения, величина овп компонентов дц. Коэффициент р/о, его значение.
- •Свободное и разобщенное дыхание. Теории сопряжения оф.
- •Структура и функция протонной атф-азы. Механизм разобщения.
- •Оф (снятие pH и ). Механизмы термогенеза. Роль бурой жировой ткани.
- •Пути потребления o2 в организме. Характеристика микросомальной дц, ее сравнение с митохондриальной. Характеристика цитохромов p450, их функция.
- •1. Сходства: а) они имеют одинаковые начало и конец и одинаковую суммарную разность потенциалов (а значит одинаковый градиент энергии в начале и конце);
- •2. Различия: а) по локализации;
- •Антиоксидантная защита: ферментная и неферментная.
- •1. Мультимедийная презентация.
- •1. Мультимедийная презентация.
-
Структура и функция протонной атф-азы. Механизм разобщения.
Свободная энергия электрохимического протонного градиента митохондриальной мембраны используется для синтеза АТФ с помощью протон-переносящей АТФ-синтазы (она также называется протонным насосом, АТФ-азой, F1Fo-АТФ-азой, V комплексом дыхательной цепи).
АТФ-синтаза является самым крупным, по форме напоминающим гриб, структурным компонентом внутренней митохондриальной мембраны. АТФ-синтаза представлена 2 большими полиферметными белками - F1 (шляпка гриба) и Fo (ножка), каждый из которых, в свою очередь, состоит из нескольких неоднородных полипептидов.
Рис. 5.6 . Модель грибовидного комплекса АТФ-синтазы. V комплекс.
Fо – не растворимый в воде трансмембранный белок, главной частью которого является канал для транслокации протонов. Fo означает «фактор О» (от слова олигомицин - антибиотик, продуцируемый Streptomyces). Олигомицин ингибирует транспорт протонов через «ножку» Fо, реагируя с единственным остатком глутаминовй кислоты на одной из субъединиц. Блокада транспорта протонов приводит к потере способности АТФ-азы синтезировать АТФ.
F1 - водорастворимый периферический мембранный белок, состоящий из 5 субъединиц. Если отделить (например, мочевиной) F1 от Fо, то первый сможет только гидролизовать АТФ, но потеряет способность эту молекулу синтезировать.
Синтез АТФ катализирует β-субъединица белка F1. Этот синтез осуществляется спонтанно, т.е. без затраты энергии. Происходит это следующим образом (рис.5.7): F1 имеет 3 химически идентичных, но конформационно различно взаимодействующих αβ-протомеров: О (open) – с открытой конформацией, характеризующейся очень низкое сродство к лигандам и каталитически неактивной; L (loose) - легко связывающей лиганды и каталитически неактивной; T (tight) – жёстко связывающей лиганды и каталитически активной.
Рис. 5. 7. Работа «молекулярной турбины» – фактора F1.
В состав F1 входит γ-субъединица, способная вращаться подобно тому, как вращается турбина в воде («молекулярная турбина»). Вращение γ-субъдиницы обуславливает конформационные изменения в αβ-протомерах.
Связывание АДФ с неорганическим фосфатом происходит на участке L. После этого происходит вращение γ-субъединицы на 120˚ (на рис. против часовой стрелки). Это вращение требует затраты энергии, которая аккумулируется при генерации электро-химического потенциала и подпитывается протонным переносом через канал Fo. При вращении γ-субъединицы происходят конформационные изменения αβ-протомеров, в результате чего L-участок преобразуется в T, а T - в O. В Т-участке осуществляется синтез АТФ, а из О-участка (вследствие вращения «турбины») высвобождается АТФ.
Таким образом, энергия электро-химического потенциала требуется не для синтеза АТФ, а для удаления её из активного центра V комплекса. Эта энергия расходуется также на транспорт АТФ из матрикса через митохондриальные мембраны в цитоплазму клетки, а АДФ – в обратном направлении (на работу фермента АТФ-транслоказы). Львиная доля энергии протонного потенциала расходуется на транспорт ионов кальция. Доставка субстратов тканевого дыхания также осуществляется за счёт этой энергии.
Измерение «силы протонного потенциала» показало, что 1 молекула АТФ может образоваться за счёт окисления НАДН∙Н+ первым комплексом дыхательной цепи, 1 молекула АТФ – за счёт окисления убихинола третьим комплексом и 1 молекула – при окислении цитохрома с четвёртым комплексом. Именно в этих местах падение редокс-потенциала превышает 0,2 v, при таком перепаде освобождается энергия, вполне достаточная для синтеза молекулы АТФ (для синтеза АТФ необходимо затратить 42 кДж/моль). Таким образом, при окислении НАД-зависимых субстратов может образоваться 3 молекулы АТФ, а при окислении ФАД-зависимых – 2 молекулы АТФ (транспорт электронов начинается со второго комплекса дыхательной цепи).
Следует заметить, что ещё в 30-х годах академик В.А. Энгельгардт обнаружил, что при тканевом дыхании на 1 молекулу кислорода расходуется 3 молекулы фосфата, т.е. отношение Р/О=3 (при использовании НАД-зависиымых субстратов тканевого дыхания). Если в среду инкубации митохондрий добавлялся сукцинат, коэффициент Р/О=2. Эти показатели были названы В.А. Белицером и Е.Т. Цыбаковой коэффициентами фосфорилирования, а I, III и IV комплексы дыхательной цепи – пунктами сопряжения (связи между процессами окисления и фосфорилирования).
Согласно подсчётам известного российского биохимика В.П. Скулачёва, в сутки у человека может синтезироваться более 30 кг (!) АТФ: поскольку в сутки у человека образуется 400 мл воды (22 моля), а коэффициент Р/О=3 (66 молей АТФ), то умножая на молекулярную массу АТФ (507), получаем
707 х 66 = 33 462 (т.е.>33 кг)
Транспорт электронов и протонов – сопряжённые процессы.
Транспорт электронов (окисление НАДН∙Н+ и ФАДН2 кислородом) и окислительное фосфорилирование (синтез АТФ) в норме тесно связаны Это называется сопряжением окисления и фосфорилирования. В состоянии покоя, когда окислительное фосфорилирование минимально, электрохимический градиент внутренней митохондриальной мембраны достигает величины, при которой прекращается дальнейший перенос протонов. Тем самым ингибируется транспорт электронов.
Однако обнаружены вещества, например, 2,4-динитрофенол (ДНФ), которые разобщают эти процессы (ДНФ получил печальную известность как препарат для снижения массы тела). Присутствие во внутренней митохондриальной мембране агентов (ионофоров), увеличивающих их проницаемость для Н+, разобщает окислительное фосфорилирование от процесса транспорта электронов, поскольку при этом нарушается генерирование электро-химического потенциала и, следовательно, синтез АТФ. ДНФ является липофильной слабой кислотой, поэтому легко проходит через мембрану (снаружи внутрь митохондрии), ослабляя естественный ток протонов, идущий в противоположном направлении.
Путь транспорта электронов, не связанный с синтезом АТФ, называется свободным, нефосфорилирующим, окислением. При свободном окислении энергия не аккумулируется, а высвобождается в виде тепла. Это имеет физиологическое значение при охлаждении организма.
Частичное разобщение окисления и фосфорилирования наблюдается при многих заболеваниях, так как митохондрии являются наиболее чувствительными клеточными органеллами к действию различных повреждающих факторов. Нарушение их структуры, приводящее к частичному или полному распаду внутренней митохондриальной мембраны, неизбежно будет способствовать обратному току протонов и нарушать энергопродукцию. Поэтому особое значение приобретает стабилизация митохондриальных мембран биоантиоксидантами (витаминами Е, А и аскорбатом) при любой патологии.
В ряде случаев некоторые пункты фосфорилирования могут «выключатся» - такое состояние называется разобщением окислительного фосфорилирования - и в этом случае P/O снижается: для НАД-зависимых субстратов - ниже 3; для ФАД-зависимых субстратов - ниже 2-ух.
И исходя из 1-го закона термодинамики в разобщенных митохондриях увеличивается теплообразование. (Это происходит за счет того, что та энергия электронов, которая должна была быть использована для синтеза АТФ в «выключенном» пункте фосфорилирования, рассеивается в виде тепла).
Процесс разобщения окислительного фосфорилирования лежит в основе лихорадки, вызванной бактериями, вирусами и другими агентами.
Разобщение резко усиливается при охлаждении организма.
Работа митохондрий при «выключенных» всех пунктах фосфорилирования называется сопряженной, в противном, выше описанном случае, разобщенной и дыхание при этом называется свободным.
В качестве разобщителей окислительного фосфорилирования выступают слабые гидрофобные кислоты (ЖК), тиреоидные гормоны, лекарства(дикумарин, динитрофенол).
ДЦ имеет механизмы шунтирования: сброс электронов и протонов по протяжению с НАД на цитохромы, или с НАД на межмембранные дегидрогеназы, на наружную мембрану и гладкую ЭПС (микросомальную цепь).
Такой перенос характерен для печени. При воздействии какого-либо блокатора, возникает блок в 1-ом комплексе ДЦ, происходит накопление НАД.Н2 и становится реальной угроза гипоксии, печень может погибнуть. Чтобы этого не произошло происходит сброс НАД.Н2 с митохондрий ДЦ на микросомальную ДЦ через цитохром b5.