Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2 курс / Биохимия / Биохимия в рисунках и схемах

.pdf
Скачиваний:
328
Добавлен:
08.08.2019
Размер:
13.2 Mб
Скачать

білок

білок

гем С

4. Залізо-сірчані білки (FeS – білки)

Це складні білки , котрі містять негемінове залізо та сірку. Ці білки локалізовані в ліпідному шарі мембран . Вони можуть зворотньо окиснюватися та відновлюватися, тобто переносити електрони.

Подібні окисно -відновні системи стабільні лише у складі білків. Вони можуть мати від 2 до 6 іонів заліза, котрі утворюють комплекси різного складу з неорганічним сульфідом і SHгрупами залишків цистеїну білкових молекул .

5. Цитохроми

Це складні білки – гемопротеїни, що містять гем - простетич ну групу , подібно до гему гемоглобіну. Гем містить гемінове залізо, здатне змінювати валентн ість, тобто переносит и тільки електрони.

Цитохроми відрізняються один від іншого як за складом білка, так і за замісниками у гемі.Вони мають різні фізико-хімічні властивості та

окисно -відновні потенціали.

В д ихальному ланцюзі цитохром и необхідні для перенесення електронів . Вони розташовані згідно з величинами їхніх окисно -відновних потенціалів наступним чином : цитохром b, цитохром с1, цитохром с, цитохроми а, а3.

Цитохром аа3 , або

цитохромоксидаза, - це термінальный фермент ,

котрий переносит ь

електрони безпосередньо на

кисень (аеробний

 

фермент ). Він складається з 6 субодиниць та, крім

гемінового заліза,

 

містить іони міді. У перенесенні електронів спочатку беруть участь іони

 

заліза цитохромів а й а3, а далі - іон міді цитохрому а3.

Молекулярна організація ланцюгу перенесення електронів

 

Усі учасники ланцюгу перенесення електронівструктурово об’єднані в чотири окисно -

відновні системи – мультиферменті комплекси I – IV, вбудовані у ліпідний матрикс

внутрішньої мембрани мітохондрій.

 

 

Процес окиснення починається з перенесення протон ів і електронів

з субстрата , що

окиснюється ,на НАД+ або ФАД. Це залежить від природи субстрату.

SH2

41

 

 

 

мембрана

 

гліцерол-

 

 

Комплекс I НАДН -дегідрогеназа

 

 

 

 

 

3-

фосфат

 

 

флавопротеїн, що містить ФМН. Цей фермент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

окиснює

 

НАДН і передає

два атоми водню

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФАД

(+ -)

на ко ензим

Q.

Комплекс також

 

Fe-S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

містить FeS-білки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплекс

II

– сукцинатдег ідрогеназа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФМН

 

 

 

 

 

 

 

флавопротеїн, що містить ФАД. Цей фермент

 

 

 

 

 

ФАД

 

ФАД

окиснює сукцинат

і транспортує два атоми

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

водню

(+

-)

на ко ензим Q. У складі

НАДН

НАД+

 

 

 

 

 

 

 

сукцинат

 

 

 

 

комплекса присутні FeS-белки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SH2

 

 

 

 

 

 

 

ацил-КоА

У матрикс і мітохондрій також містяться й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

інші

ФАД-залежні

дегідрогенази, кот рі

 

ізоцитрат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

піруват

 

матрикс

 

 

окиснюють відповідні субстрати (гліцерол-3-

 

малат

 

 

 

 

фосфат , ацил-КоА) та далі передають атоми

 

глутамат

 

митохондрії

 

 

 

 

 

 

водню на коензим Q.

 

 

 

та інші

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потоки атомів водню об’єднуються на стадії утворення відновленого КоQН2 .

Коензим Q є останнім компонентом ланцюгу, котрий здатний транспортувати не тільки протони, але й електрони (+ -). Дал і протон и (+) переходят ь із внутр ішньої поверхні мембран и мітохондрії на зовнішню, а електрони (2е-) крізь ланцюг цитохромів переносяться на кисень.

Міжмембранний

простір

НАДНН НАД+

 

фумарат

½ О2+2Н Н2О

сукцинат

 

 

 

 

 

матрикс

 

 

 

 

Комплекс III – уб іхінондегідрогеназа – це фе рментний комплекс , котрий включає цитохром b, FeS-білок і цитохром с1. Цей комплекс транспортує електрони 2е- від відновленого убіхінону КоQН2 на цитохром с (невеликий за розмірами водорозчинний білок, що міститься на зовнішній стороні внутрішньої мембрани).

Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментний комплекс ,

 

 

 

що складається з цитохромів а й а3. Ці ферменти здійснюють

 

 

 

2е + ½ О

 

О2-

останню стадію б

іологічного окиснення

– в ідновлення

2

 

 

 

 

 

електронами (2е- ) молекулярного кисню:

 

 

 

 

 

 

Відновлений кисень

О2- реагує з вільними

протонами (+ )

матриксу. В результаті

реакції утворюється ендогенна , або метаболічна , вода:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42

+ + О2-

 

 

Н О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Комплекс I

 

 

Q

Комплекс III

 

 

 

 

 

Комплекс IV

 

 

 

ФМН FeS

 

 

b FeS c1

 

 

с

 

 

a a3

 

 

1/2О2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАД+

 

 

 

Комплекс II

ФАД FeS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н2О

SH2

 

SH2

 

 

 

 

Напрямок перенесення протон ів і електронів визначають окисно -відновні потенц іали. Для забезпечення спонтанного перенесення компоненти окисно -відновного ряду повинні розташовуватися згідно зі збільшенням величин потенціалів .

-0,32

+0,82

О2

Редокс -потенціал пар и НАД+/НАДН = - 0,32 В, що свідчить про високу здатність віддавати електрони . Редокс-потенціал пари кисень/вода = + 0,82 В, що свідчить про високу спорідненість до електронів.

Загальна різниця редокс -потенц іалів дорівнює 1,14 В. Цьому відповідає зміна вільної енергії

G = - 220 кДж/моль. Ця загальна величина енергії реакції розподіляється на невеликі та більш зручні «пакети », величини котрих визначаються за різницею окисно -відновних потенціалів відповідних проміжних продуктів . Припускається , що цей розподіл на пакети забезпечує дихальному ланцюгу дивовижно високий вихід енергії , що складає приблизно 60%.

 

 

 

 

Дихальний ланцюг мітохондрій

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н2О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

энергія

 

 

 

 

 

 

 

 

тепло

 

АДФ + Ф

 

 

АТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При прох одженні по дихальному ланцюгу пари е лектронів в ивільняється

енергія, б ільша частина

котрої (60%) розсіюється у вигляді тепла, а інша

акумулюється у макроергічниз зв’язках АТФ,

а саме поглинається в реакції

синтезу АТФ-окисному

фосфорилюванні .

 

43

Це фосфорилювання називається окисним, т ому що енергія , що необхідна для утворення макроергічного зв’язку, генерується у процес і окис нення, тобто руху протонів і електронів по мітохондріальному ланцюгу транспорту електронів.

Механізм окисного фосфорилювання

міжмембранний

цит.с

простір

КоQ

 

 

фумарат

 

½ О ++

Н

О

 

 

 

сукцинат

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАДНН НАД+

 

 

АДФ+Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

матрикс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

синтез АТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хімічний

 

електрохімічий

 

 

 

 

потенціал рН

 

потенціал ΔµН+

 

 

АТФ-синтаза

 

Головні перено сники

електронів, комплекси

I, III, IV, використовуючи енергію

електронів , забезпечують перенесення протон ів Н+ із матрикс у у міжмембранний простір. В результаті змінюється значення рН та виникає протонний електрохімічний

потенціал ΔµН+ (хеміосмотична теор ія П.

Мітчела). Саме цей потенц іал є

рушійною силою синтезу АТФ із АДФ і Ф .

Синтез АТФ поєднаний зі зворотним

потоком протонів Н+ із м іжмембранного простіру у матрикс . Внутр ішня мембрана мітохондрій непроникна для цього поток у. Завдяки спеціальній ферментній системі , що називається протонноюАТФ-азою або АТФ-синтазою (комплексV), здійснюється зворотний рух протонів . Після досягнення певної величини ΔµН+ активується АТФ-

аза. В ній відкривається

канал, крізь який протон и повертаються у матрикс із

міжмембранного простіру,

а енергія ΔµН+ використовується для синтезу АТФ.

44

 

Кожний зі трьох комплексів (I, III, IV) забезпечує протонний градієнт, необхідний для активації АТФ-синтази та синтезу 1 молекули АТФ.

 

АТ

АДФ + Ф

Ф

Комплекс I

ФМН FeS

НАД+

SH2 (P/O = 3)

піруват α-кетоглутарат ізоцитрат малат глутамат лактат

 

 

АТ

 

 

АТ

 

АДФ + Ф

Ф

 

АДФ + Ф

Ф

Q

Комплекс III

 

Комплекс IV

 

b FeS

c1

с

a a3

О2

 

Комплекс II

ФАД FeS

SH2 (P/O=2)

сукцинат ацил-КоА гліцерол-3-фосфат

Коефіцієнт окисного

фосфорил ю-

вання P/O – це відношення кількості

фосфорної кислот и (Р),

котра була

використана на фосфорилюваня

, у

розрахунку на один атом поглинутого

кисню (О).

 

 

 

 

P/O залежить від ділянки

вхождення у

ланцюг

транспорт

у

електронів

відновних

еквівалентів H2

від

субстратів SH2, що окиснюються .

Субстрати SH2, що окиснюються НАД-залежними дегідрогеназами

(піруват, α-кетоглутарат ,ізоцитрат , малат, глутамат , лактат,)мають більшу енргетичну цінність , тому що при їхньому окисненні утворюються3 молекули АТФ (P/O = 3). При

окисненні субстратів SH2 (сукцинату, ацил-КоА, гл іцерол-3-фосфату)

ФАД-

залежними дегідрогеназами утворюються 2 молекули АТФ (P/O=2).

 

Усі описані процес и перен есення протон ів, е лектронів і синтез у АТФ (тканинного дихання та окис ного фосфорил ювання) щільно поєднані: вони відбуваються завжди одночасно . Їхня швидкістьтакож змінюється одночасно .

Процеси засвоєння їжі та синтезу АТФ повинні визначатися енергетичними потребами клітин , тобто синтез і використання АТФ повинні бути погодженими.

При збільшенні в

клітині споживання АТФ по ідвищується швидкість надходження

АДФ в мітохондрії,

що означає зростання швидкості синтезу АТФ. Це призводить до

збільшення швидкості транспорту

протон ів: зростає швидкість дихання . Така

кореляція,

а саме

пришвидшення окисного фосфорил ювання та

дихання при

підвищенні концентрац ії АДФ наз

ивається дихальним контролем .

Дихальний

контроль

– це співвідношення

АТФ / АДФ: при його зменшенні підвищується

інтенсивність дихання .

 

45

 

 

 

 

У деяких випадках

поєднання фосфо-

рилювання та дихання порушується , в

мітохондріях виникає

“неконтрольоване ”

дихання . Це може бути спричинено

пошкодженням мембран мітохондрій, а

також дією речовин , котрі функціонально роз’єднують окиснення та фосфори - лювання – роз’єднувачів . Ці ліпофільні сполуки (2,4-динітрофенол , жирні кисло-

ти) здатні переносит и протон и крізь мембрану м ітохондрій, обминаючи АТФ-

синтетазу . Це призводить до

знищення

протонного град

ієнту. Прикладом

природного

роз’єднувача є

білок

термогенін, кот

рий функціонує як

протонний канал

у мітохондріях буро ї

жирової тканини.

За цих умов коефіцієнт

Р/О зменшується, енергія розсіюється у

вигляді тепла .

1.Пощкодження мембрани

2.Рухомі танспортери

норадоеналін

жирні жир кислоти

3. Керований протонний канал

термо - генін

Інгібітори транспорту електронів і окисного фосфорилювання

1. Інгібітори, що блокують дихальний ланцюг завдяки зв’язуванню з певними ферментами або коферментами на р ізних ділянках ланцюгу . В результаті Р / Ознижується до нуля залежно від ділянки , де діє інгібітор:

а) ротенон

(

інсектицид ),

барбітурати

 

( снотворні),

антибіотик пієрицидін А.

б) антиміцин (антибіотик).

в) CN-, CO, H2S.

Ротенон , барбітурати а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КоQ

 

цит.b

 

цит.с

 

цит.с

 

цит.аа

 

О

 

НАДН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

в)

антиміцин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАДН

 

КоQ

 

цит.b

 

 

 

цит.с

 

цит.с

 

цит.аа

 

О

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

с)

СN- или СО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАДН

 

КоQ

 

цит.b

 

цит.с

 

цит.с

 

цит.аа

 

 

О

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

2. Інгібітори окисного фосфорилювання:

олігоміцин – антиб іотик, гальмує функц ію АТФ-синтетаз и (не д іє на тканинне дихання).

46

Загальні шляхи катаболізму

1. Окиснювальне декарбоксилювання пірувату

Це процес відщеплення СО2 від пірувату та перенесення ацетильного залишку на коензим А з наступним утворенням ацетил -КоА. Процес здійснюється за участю

мультиферментого піруватдегідрогеназного комплексу (ПДГ).

Комплекс складається з трьох ферментів 1 , Е2 , Е3) та п’яти кофакторів:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тіамінпірофосфат

(ТПФ)

простетичні групи щільно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ліпоєва кислота (ЛК), ФАД

зв’язані з апоферментами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФАД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАД+

коферменти легко дисоциюють від

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коензим А (HS-КоА)

 

 

апоферментів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+НАД+ + НSКоА

 

СО2+ацетил -SКоА+НАДН Н+

 

 

 

 

 

 

Піруват

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

Е1 –ТПФ: каталізує відщеплення СО2 від пірувату та перенесення гідроксіетильного залишку на ТПФ.

Е2 –ЛК: переносить гідроксіетильний залишок від ТПФ на простет ичну групу – ЛК,

При цьому дисульф ідний зв ’язок розривається , а ацетильн ий залишок

і водень

приєднуються до ЛК. Далі ацетильный залишок переносит ься з ЛК на

НSКоА з

утворенням ацетил-SКоА, а ЛК відновлюється до дигідро-ЛК.

 

Е3-ФАД каталізує дегідрування дигідро-ЛК, котра знов окиснюється . Атоми водню

відновлюють ФАД. На

останній стадії атоми водню переносят ься на НАД+ з

утворенням НАДН Н+.

47

2. Цикл трикарбонових кислот

Цикл трикарбонов их кислот

(цикл Кребса , цитратн ий цикл ) – це

циклічна

послідовність ферментативн их реакц ій, внаслідок яких ацетил-SКоА,

продукт

катаболізму білків, ліпідів і

вуглеводів, окис нюється до вуглекислого газу СО2 з

утворенням атомів во дню (Н), що використовуються для в ідновлення перви ннних

акцепторів ланцюгу транспорту електронів: НАД+ і ФАД.

2)

6)

 

4)

6)

 

 

 

 

СО2

 

4)

α-

 

5)

 

 

 

 

СО2

 

4)

 

 

 

4)

 

 

4)

Метаболіти та

ферменти ЦТК локал ізовані у матрикс і та внутрішній мембран і

мітохондрій. Вони функціонально поєднані з мітохондріальним ланцюгом транспорту

електронів. Тому відновні еквіваленти

(4 пар и атомів водню), що утворюються

внаслідок окис нення метаболітів цикл у Кребса , завдяки первинним

акцепторам

НАДН Н+ і ФАДН2 передаються у дихальний ланцюг для відновлення атомів кисню О2 з утворенням молекул Н2О. За рахунок окисного фосфорилювання синтезуєтьсяАТФ.

Ацетил -КоА – «активна оцтова кислота » (містить 2 атоми вуглецю С2), утворюється

внаслідок окиснювального

декарбоксил ювання

пірувату. В пер

 

шій реакц ії вона

конденсується з

чотирьохвуглецевим оксалоацетатом

( С4) з утворенням

шестивуглецевого цитрат у (С6). Далі від цитрат у

 

послідовно

відщепляються два

атоми вуглецю у вигляді двох

молекул СО 2,. Внаслідок цього знов регенер ується

оксалоацетат (С4). Таким чином, сумарне рівняння ЦТК має наступний вигляд:

48

СН

СООН + 2Н О

 

 

2 СО + 8Н

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

2

 

 

1

SКоА конденсація

НSКоА

цитратсинтаза

8

дегідрування

оксалоацетат

 

цитрат

 

 

 

2

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дегідратація

малат -

ЦТК

аконітаза

 

 

 

 

 

дегідрогеназа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

малат

 

 

гідратація

фумараза

 

цис-аконітат

 

НАДНН+

 

 

 

аконітаза

 

 

 

гідратація

 

 

 

ФАДН2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фумарат

 

 

 

 

ізоцитрат - ізоцитрат

 

 

 

 

сукцинат -

 

 

 

 

3

6

 

 

 

 

 

 

дегідрогеназа

 

 

 

 

дегідрогеназа

 

 

 

 

 

декарбокси -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дегідрування

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лювання

 

 

 

 

 

 

сукциніл-

 

α-кето-

СО2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

глутарат -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тіокіназа

 

дегідрогеназа

 

 

 

 

 

 

сукцинат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НSКоА

 

SКоА

 

НSКоА α-кетоглутарат

 

 

 

 

ГТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГДФ+Ф

 

СО2

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сукциніл SКоА

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

субстратне

 

 

 

 

 

 

 

 

окислительноене

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фосфорилювання

 

 

 

декарбокси-люванняирование

49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Енергетичний баланс ЦТК

У ЦТК при окис ненні однієї молекул и «активного ацетату» утворюються відновні коферменти: 3 молекули НАДН+Н+ і 1 молекула ФАДН2. Далі вони окис нюються у дихальному ланцюзі . За рахунок окисного фосфорилювання утворюється по 3 молекули АТФ на кожний НАДН+Н+ і 2 молекули АТФ – на ФАДН2. Таким чином, за рахунок окисного фосфорилювання утворюється 11 молекул АТФ (3х3 + 2х1 = 11).

Крім того, у циклі Кребса існує реакція субстратного фосфорилювання, в котрій за рахунок розщеплення макро ергічного зв ’язку субстрат у (сукциніл SКоА) утворюється нова макроергічна сполука - ГТФ. Далі ГТФ передає свій фосфат на АДФ

для утворення 1 молекули АТФ. Таким чином,

при окисненні 1 молекули ацетил-КоА

утворюється 12 молекул АТФ (11 + 1 = 12).

 

 

 

 

 

 

 

 

Регуляція ЦТК

піруват

АТФ, ацетилКоА , НАДН,

 

піруват-

жирні кислоти

 

 

 

дегідрогеназний

АМФ, НSКоА, НАД+, Са2+

комплекс

ацетил -КоА

 

 

 

 

АТФ, НАДН, сукциніл-КоА

 

АДФ

 

 

 

цитрат

цитрат

 

Найголовнішим чинником

 

синтаза

 

регуляції циклу є співвідно -

 

 

 

 

шення НАДН /НАД+.

 

оксалоацетат

ізоцитрат

ЦТК

 

АТФ

малат

ізоцитрат

 

 

 

дегідрогеназа

дегідрогеназа

АДФ, Са2+

НАДН

 

 

 

 

малат

α-кетоα-кетоглутарат

ФАДН2

глутарат -

НАДН, сукциніл-КоА

 

дегідрогеназа

Са2+

 

 

сукцинат

сукциніл SКоА

дегідрогеназа

 

 

 

 

 

інгібування

ГТФ

активація

 

50