Материал: Biokhimia_v_risunkakh
3 стадия (общая для всех обменов) - окисление ацетил~КоА до конечных метаболитов углекислого газа и воды. Эта стадия протекает в митохондриях - энергетических станциях клеток и состоит из двух процессов:
цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), в результате которого образуется |
СО2, а атомы |
водорода используются для восстановления коферментов НАД и ФАД. |
Водород - это |
универсальное энергетическое топливо, которое используется в дыхательной цепи для образования энергии и воды.
системы электронного транспорта в мембранах митохондрий, в котором атомы водорода переносятся на кислород с образованием воды. Эта система сопряжена с окислительным фосфорилированием, в результате которого энергия биологического окисления используется для синтеза АТФ.
БЕЛКИ |
|
УГЛЕВОДЫ |
|
ЛИПИДЫ |
||
|
|
|
|
|
|
|
аминокислоты |
моносахариды |
глицерин |
жирные кислоты |
пируват
СО2
ацетил-КоА
СО2 |
ЦТК |
СО2 |
|
|
|
2Н+ |
2Н+ 2Н+ 2Н+ |
|
О2 
Дыхательная цепь митохондрий 
Н2О
тепло |
энергия |
АДФ + Ф |
АТФ |
|
35
III. Пути потребления кислорода в реакциях биологического окисления
Все многообразие реакций окисления, идущих с потреблением кислорода, можно свести к 4 основным типам.
1. Оксидазный путь (80-90% потребления кислорода)
Продукты - окисленный субстрат, вода и энергия. Реализуется в митохондриях в дыхательной цепи.
2. Оксигеназный путь (8-12% потребления кислорода): |
|
|
|
с помощью монооксигеназ: один атом кислорода включается в окисляемый |
|
|
субстрат, другой - в молекулу воды; |
|
с помощью диоксигеназ: оба атома кислорода входят в окисляемый субстрат |
||
|
Цель этого свободного (т.е. несопряженного) окисления - превращение природных |
|
|
или неприродных субстратов (ксенобиотиков) в микросомах печени, коры |
|
|
надпочечников, поэтому называется микросомальным окислением. |
|
|
Таким путем холестерин окисляется в стероидные гормоны и желчные кислоты, |
|
|
тирозин - в меланины. Этим же путем обезвреживаются в печени |
токсичные |
|
метаболиты и ксенобиотики - лекарственные препараты или яды. |
|
|
Микросомальные цепи представляют собой короткие цепи переноса протонов и |
|
|
электронов, источником которого служит НАДФН. а активатором кислорода - |
|
|
цитохром Р-450: |
|
3. Пероксидазный путь - с образованием перекиси водорода с помощью |
||
|
пероксидобразующих ферментов - флавопротеинов |
|
|
Таким путем окисляются аминокислоты, биогенные амины и др. |
|
|
Образование токсичного пероксида является “издержкой”, однако, в |
|
|
фагоцитирующих клетках (например, лейкоцитах) пероксид служит для |
|
|
обезвреживания патогенных бактерий. |
|
4. Свободнорадикальное окисление происходит под действием |
активных форм |
|
|
кислорода (АФК), которые образуются при одноэлектронном восстановлении |
|
• |
кислорода: |
|
супероксид-анион |
|
|
• |
перекись водорода Н2О2 |
|
• |
гидроксильный радикал |
|
• |
синглетный кислород |
|
АФК - очень реакционноспособные молекулы, которые спонтанно ускоряют цепные
реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) и окислительно модифицируют другие биомолекулы - белки, нуклеиновые кислоты и др.
Эти процессы потребления кислорода активно протекают в мембранах, где
имеются ненасыщенные жирные кислоты в составе фосфолипидов. Цель этого процесса - обновление мембран и регуляция их проницаемости.
Супероксиданион активирует образование в тканях NО-радикала, который способствует вазодилатации, а также, превращается в пероксинитрит ОNООН,
который индуцирует апоптоз - запрограммированную смерть клеток.
Антиоксиданты, например, витамин Е - токоферол - способны улавливать свободные радикалы, снижая тем самым токсичность кислорода.
36
IV. Биологическое окисление
•Биологическое окисление, сопровождающееся потреблением кислорода и образованием энергии
и воды, называется тканевым дыханием . Это многостадийный процесс переноса водородов
(протонов и электронов) от субстратов окисления через ряд промежуточных переносчиков к
кислороду с образованием воды и выделением энергии.
•Субстраты окисления SH2 образуются в ходе катаболизма белков, жиров и углеводов. Это
вещества, которые подвергаются дегидрированию, т.е. отщеплению атомов
водорода.
• Водород |
Н2 - универсальное энергетическое |
|
|
|
используется в тканевом |
топливо, которое |
||
дыхании для образования энергии и воды. |
||
•Тканевое дыхание представлено
полиферментной цепью переноса электронов и протонов (ЦПЭ), которая называется
дыхательной митохондриальной цепью или
дыхательным ансамблем. Она имеет структурную организацию, т.к. ее компоненты встроены во
внутреннюю мембрану митохондрий (от 5 до 20 тыс. ансаблей в одной митохондрии).
АТФ-синтаза |
внешняя |
|
мембрана |
||
кристы |
внутренняя
мембрана
рибосомы протонные каналы
Промежуточные переносчики (Р) при транспорте электронов от исходного донора электронов (субстрата) SH2 к терминальному акцептору – кислороду О2
Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-
восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик (P) вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем, присоединяя протоны, восстанавливается до воды.
SH2 |
|
1/2О2 |
|
|
|
|
|
Н2О |
37 |
S |
|
||
|
|
|
|
1. НАД-зависимые дегидрогеназы
Н
2Н+2е- ..
+ Н+
НАДН (восстановленная форма)
НАД+ (окисленная форма)
Сложные ферменты, которые катализирует реакции окисления непосредственно субстратов S (первичные
дегидрогеназы).
- (активная форма витамина РР) - кофермент этих ферментов, акцептируя два протона и два электрона ( 2Н
S превращается в восстановленную форму
НАДН.
2. Флавиновые дегидрогеназы или флавопротеины (ФП)
ФМН
ФАД
ФАД, (ФМН)
(окисленные)
2Н+2е- |
Н |
Сложные ферменты, |
|
|
|
простетическими группами |
|
|
|
которых является |
ФМН |
Нили ФАД (активные формы
ФАДН2 (ФМНН2) витамина В2).
(восстановленные)
Дегидрогеназы, содержащие ФАД, катализируют окисление некоторых субстратов, например, янтарной кислоты (сукцината), т.е. это первичные дегидрогеназы (сукцинатдегидрогеназа).
Дегидрогеназа, содержащая ФМН, акцептирует
протоны и электроны от восстановленных |
НАДН- |
коферментов НАДН, т.е. это |
|
дегидрогеназа. |
|
3. Убихинон - КоQ
|
|
|
КоQ |
|
|
|
|
(окисленный |
) |
|
|
2Н+2е- |
||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
||
|
ОН |
|||
38 |
|
|
КоQН2 |
|
|
|
восстановленный) |
||
ОН( |
||||
Небольшая молекула, растворимая в
липидной части мемебраны |
( |
благодаря |
неполярной боковой цепи |
), поэтому она |
|
легко перемещается в толще мембраны.
Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в
природе.
Кофермент Q является своеобразным коллектором протонов и электронов 2Н+2е-
от восстановленных коферментов ФМНН2 и
ФАДН2 переходя при этом в восстановленную форму КоQН2.
белок
белок
гем С
4. Железо-серные белки
Это сложные белки, содержащие негеминовое железо и серу, которые могут обратимо окисляться и восстанавливаться, т.е. переносить электроны. Расположены в липидном слое мембраны Эти окислительно-восстановительные системы
стабильны только в составе молекул белков. Они могут содержать от 2 до 6 ионов железа, образующих комплексы различного состава с неорганическим сульфидом и SH-группами остатков цистеина белка.
5. Цитохромы |
|
|
|
|
Это сложные белки |
– |
гемопротеины, |
|
|||
|
содержащие гем (подобные гему гемоглобина) - |
||
|
прочно связанную простетическую группу. Гем |
||
|
содержит геминовое |
железо, способное менять |
|
валентность, т.е. переносить только электроны.
Цитохромы отличаются друг от друга как белковым компонентом, так и заместителями в геме, следовательно, физико-химическими свойствами, т.е. окислительно-
восстановительными потенциалами.
В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: цит.b, цит.с1, цит.с, цит.а, а3.
Цитохром аа3 - цитохромоксидаза - терминальный фермент, который переносит электроны непосредственно на кислород (аэробный фермент), состоит из 6 субъединиц, кроме геминового железа содержит ионы меди, переносящий электроны. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а3, а затем ион меди цитохрома а3.
V. Молекулярная организация цепи переноса электронов
Все участники цепи переноса электронов структурно объединены в четыре окислительно-восстановительные системы – мультиферментные комплексы (I - IV),
встроенные в липидный матрикс внутренних мембран митохондрий. |
2Н+2е- |
|
||
Процесс окисления начинается с переноса протонов и электронов |
с |
|||
окисляемого субстрата |
SH2 |
на НАД+ или ФАД (это зависит от природы субстрата). |
39 |
|