Регуляция цикла Кребса

осуществляется путем влияния на ключевые ферменты: цитратсинтазу (начинает процесс), изоцитратдегидрогеназу (лимитирующий фермент), 2-ок-соглутаратдегид­ро­геназу (фермент, стоящий на развилке).

Цитратсинтазу активируют оксалоацетат и ацетил-КоА, ингибируют АТФ, НАДН, длинноцепочные ацилы-КоА, сукцинил-КоА.

Изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом. Ее акти­вируют АДФ, Са²⁺, цАМФ. Ингибируют изоцитратдегидрогеназу АТФ, НАДН, НАДФН.

2-оксоглутаратдегидрогеназуактивируют Са²⁺ и цАМФ, ингибирует сукцинил-КоА.

Цикл Кребса активируется под влиянием катехоламинов, глюкагона и йодтиронинов.

Значение цикла Кребса:

- катаболическое и энергетическое (цикл Кребса является общим конеч­ным путем распада для метаболитов всех классов соединений; в нем обра­зуется АТФ в результате субстратного фосфорилирования; он является главным поставщиком водорода для дыхательной цепи);

- анаболическое или биосинтетическое Промежуточные метаболиты цикла Кребса используются на синтез дру­гих соединений. Например, из оксалоацетата, 2-оксоглутарата и сукцината образуются аминокислоты; из окса­лоацетата - глюкоза и другие углеводы; сукцинил-КоА используется на синтез гема;

- регуляторное. Метаболиты - цитрат и АТФ являются регуляторами других процессов. Они активируют син­тез жирных кислот и ингиби­руют гликолиз.

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) - это цепь сопряженных окислительно-восстано­ви­тель­ных реакций, в ходе которых водород, отщеп­ленный от субстратов, переносится на кислород с образованием воды и выделением энергии. Назначение дыхательной цепи - генерирование энергии.

Компоненты дыхательной цепи называются дыхательными переносчиками. Большинство из них (кроме убихинона) являются сложными белками.

Схема дыхательной цепи

Субстраты НАД-зав. Субстраты ФАД-зав.

дегидрогеназ дегидрогеназ

Характеристика дыхательных переносчиков:

НАДН-дегидрогеназа(НАДН-ДГ) (в схеме - ФП) - это флавинза­висимый фермент, небелковой частью которого является ФМН и железо-серные центры. НАДН-ДГ встроена во внутреннюю мембрану митохонд­рий. Она осущест­вляет перенос водорода с НАДН вначале на ФМН с обра­зованием ФМНН₂, затем переносит водород с ФМНН₂ на железо-серные центры и только потом на КоQ, при этом последний восстанавливается до КоQН_2.

Таким образом, НАДН-ДГ ката­лизирует реакцию:

НАДН-ДГ

НАДН₂ + КоQ НАД⁺ + КоQН₂

КоQ (убихинон)- это небелковый переносчик, растворимый в ли­пидах. Восстановленная форма убихинона (КоQН₂) называется убихи­нол. Убихинон может перемещаться в липидной фазе внутренней мембраны митохондрий, пред­ставляя, таким об­разом, лабильный субстрат для ферментов встроенных в мембрану.

Цитохромы (b, c₁, c, a, а₃) - это сложные белки, небелковой частью которых является гем, содержащий Fe³⁺. Прини­мая электрон, железо трех­валентное переходит в железо двухвалентное, отдавая электрон - переходит опять в трехва­лентное.

Fe³⁺ + e^- Fe²⁺

Fe²⁺ - e^- Fe³⁺

Комплекс цитохромов b-c₁ является ферментом (КоQН₂ -дегидро-геназой). Он переносит электроны с КоQН₂ на цитохром c, при этом железо цито­хрома восстанавливается до двухвалентного. Протоны атомов водорода выбрасываются в межмембранное пространство..

Таким образом, осуществляется реакция:

	КоQН2-ДГ

КоQН₂ + 2c(Fe³⁺) KoQ +2Н⁺ + 2c(Fe²⁺)

Комплекс цитохромов a-a₃ является оксидазой. Он переносит элек­троны с цитохрома c на кислород, превращая последний в ион (О^2-). Цито­хромоксидаза катализирует реакцию:

	a-a3

2c(Fe²⁺) + 1/2 О₂ 2c(Fe³⁺) + О^2-

Ионы кислорода и протоны водорода взаимодействуют с образова­нием воды.

Перенос электронов по дыхательной цепи происходит по градиенту окисли­тельно-восстановительного потенциала (Е_о). Окислительно-восста­новительный потенциал характеризует способность сопряженной окисли­тельно-восста­новительной пары обратимо отдавать электроны. Чем более отрицательна величина Е_о, тем выше способность дан­ной пары отда­вать электроны, чем более положительна - тем выше способность принимать электроны. Величина Е_о у пары НАДН/НАД⁺ -0,32в, Е_о у пары Н₂О/О^2- +0,82в, при этом разность между этими величинами составляет 0,82-(-0,32)=1,14в. Этому соответствует разность свободной энергии - 220 кдж на пару перено­симых электронов. Этого количества энергии достаточно для синтеза 4 молекул АТФ. Однако в дыхательной цепи синтезируется только 3 АТФ. Синтез АТФ происходит в тех участках дыхательной цепи, где наибольший перепад окислительно-восстанови­тельного потенциала. В этих участках энергии выделяется столько, что ее достаточно для проведения реакции фос­форилирования АДФ.

АДФ + Н₃РО₄ АТФ

Таким образом, в дыхательной цепи синтез АТФ (фосфорилирова­ние) энергетически сопряжен с переносом элек­тронов, то есть окислением дыхательных переносчиков.

Синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфо­рилированием.

Участки дыхательной цепи, где есть такой синтез, называют пунк­тами сопряжения окисления с фосфорилирова­нием.

Пункты сопряжения: между НАДН и КоQ, на участке цитохромов b - c₁, и a - a₃.

Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 3 молекул АТФ, окисление 1 молекулы ФАДН₂ - к образованию 2 молекул АТФ.

Для работы цикла Кребса и дыхательной цепи требуются следую­щие витамины: В₁, В₂, РР, Q, пантотеновая и липое­вая кислоты.

Механизм окислительного фосфорилирования

Компоненты электрон-транспортной цепи (дыхательной цепи) находятся во внутренней мембране митохондрий (непроницаемой для протонов водорода). Они расположены таким образом, что, передавая электроны по цепи, одновременно выталкивают протоны водорода на наружную сторону мембраны в межмембранное пространство. В результате, на наружной стороне мембраны создается избыток протонов водорода (положительный заряд), а с внутренней стороны – недостаток (отрицательный заряд). Это проявляется в возникновении мембранного электрохимического потенциала Dm_Н⁺, который складывается из разности зарядов на мембране (Dj) и разности рН (снаружи более кислое, внутри – более щелочное). Протоны водорода могут возвращаться в матрикс по протонным каналам, с которыми связана специфическая Н⁺-АТФаза (АТФ-синтетаза). Обратный ток протонов по каналам в матрикс активирует этот фермент, и он катализирует синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄. Таким образом, энергия мембранного поценциала преобразуется в энергию макроэргической связи АТФ. АТФ с помощью фермента транслоказы переносится из митохондрий в цитозоль, где и ис­пользуется.

Сопряжение и разобщение в дыхательной цепи

Сопряжение в дыхательной цепи - это такое состояние, когда окис­ление (перенос электронов) сопровождается фос­форилированием, то есть синтезом АТФ.

Разобщение - это такое состояние дыхательной цепи, когда окисле­ние идет, а фосфорилирование не происходит, то есть пункты фосфори­лирования выключены полностью или частично. В этом случае вся или какая-то часть обра­зующейся энергии выделяется в виде тепла. Сопряжен­ность дыхательной цепи можно оценить по коэффициенту Р/О. Коэффициент Р/О равен числу мо­лей АТФ, образующихся из АДФ и Н₃РО₄ , на 1 грамм-атом поглощенного кислорода.

Разобщение в дыхательной цепи могут вызывать липофильные ве­щества, которые способны переносить протоны водорода с внешней сто­роны внутренней мембраны митохондрий на внутреннюю, минуя АТФ-синтетазу. В ре­зультате вся энергия мембранного потенциала будет рассеи­ваться в виде тепла.

Разобщение вызывают: 2,4-ДНФ (динитрофенол), многие яды промышлен­ных производств, бактериальные токсины, набуха­ние митохондрий, жир­ные кислоты, ионофоры (вещества, переносящие ионы через мембрану).

Разобщители повышают скорость переноса электронов по дыхательной цепи и выводят ее из под контроля АТФ.

Регуляция дыхательной цепи

1. АДФ стимулирует работу дыхательной цепи. Это явление называется дыхательным контролем.

2. АТФ тормозит работу дыхательной цепи и потребление кислорода.

3. Адреналин и глюкагон активируют работу дыхательной цепи.

Блокаторы дыхательной цепи

1. Ротенон блокирует дыхательную цепь на участке НАДН – КоQ.

2. Амитал, антимицин - на участке между цитохромами b и c₁.

3. Цианиды и окись углерода блокируют цитохромоксидазу, при этом вся дыхательная цепь не работает.

Нефосфорилирующее (свободное) окисление

Это окисление без образования АТФ.

Ферменты свободного окисления:оксидазы, оксигеназы, неко­торые дегидрогеназы.

Значение свободного окисления:

- терморегуляция;

- Образование биологически важных соединений (катехоламинов, глюкокорти­костероидов, коллагена, активация витамина Д и т.д);

- обезвреживание ксенобиотиков (ядов, токсинов, лекарств, ве­ществ бытовой химии).

Тканевые и возрастные особенности окислительных процессов

Анаэробные ткани могут получать энергию без кислорода. Такими тканями являются: скелетные мышцы, эритроциты, пери­ферические нервы, мозговое вещество почек, кость, хрящ, соединительная ткань.

Аэробные ткани получают энергию с использованием кислорода и полностью зависят от кровотока. К таким тканям относятся: головной мозг, сетчатка глаза, сердце, кора почек, печень, слизистая тонкого кишечника.

Потребление кислорода, а значит, и интенсивность окислительных процес­сов с возрастом падают.