Переноса электронов. (ЭПЦ)

Существуют различные теории биологического окисления:

Перекисная теория биологического оксисления Баха

Окисление глюкозы – Палладин.

Биологическое окисление, или тканевое дыхание – это окислительно-восстановительный процесс разложения субстратов (S), связанный с образованием воды при переносе электронов от Н к О₂ и выделением Е.

Механизм тканевого дыхания был раскрыт благодаря исследованиям ученых различных стран: Варбург (Германия), Палладин, Бах, (Россия) и др. (конец 19-начало 20 вв.)

Тканевое дыхание – это полиферментная цепь переноса ℮‾ и Н⁺ от S (донора водорода) на кислород. Эта цепь переносчиков называется дыхательной цепью.

Водород используется организмом как главное топливо для образования энергии. В митохондриях поток электронов от водорода устремляется к конечному акцептору кислороду, при этом образуется молекула воды, которая является конечным продуктом тканевого дыхания. ═> Тканевое дыхание - окисление субстрата, приводящее к его распаду и образованию энергии.

Например, распад ГЛК до конечных продуктов обмена суммарно выражается следующим уравнением: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ═>6 СО₂+6 Н₂О + 2850 кдж/моль.

Это превращение осуществляется (как и окисление др. S). путем дегидрирования или отщепления от окисляемого в-ва Н⁺ и ℮‾ . При каждом дегидрировании Н2 присоединяется к КоЕ (к коферменту ДГ) и КоЕ восстанавливается:

S•Н₂+Ко "S + Ко•Н₂

Чаще всего такие реакции происходят в митохондриях. Восстановленные коферменты поступают в дыхательную цепь, где они вновь окисляются.

Напр. НАД•Н₂ ═>НАД + 2Н⁺

Отщепившийся Н⁺ передается не менее чем через 5 переносчиков (до 80) к концу цепи, где соединятся с молекулой О₂ и образует воду. Переход Н по ЭПЦ состоит из ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из этих реакций образуется достаточно Е для образования АТФ.

Сопряжение тканевого дыхания (образование Н2О) и фосфорилирования (образования АТФ) называетсяокислительным фосфорилированием.

Структура и функции дыхательной цепи (ЭПЦ).

Дыхательная цепь состоит из следующих переносчиков : р и е‾

1) Пиридинзависимые ДГ,

их коферментом служат НАД или НАДФ, производные никотиновой кислоты (вит РР) и аденина. Их > 150.

S•H₂ + НАД D S + НАД • Н₂

Субстрат (НАДФ) окисл. (НАДф•Н₂)

восст. форма.

Присоединение и отдача е и Н⁺ происходит за счет амида никотиновой кислоты. НАД главным образом находится в митохондриях, используется для переноса ℮‾ и р от S к О₂; НАДФН₂ используется главным образом при синтезе Ж.К.

+ Н3РО4 = НАДФ

НАДФ никотинамидадениндинуклеотид никотинамидадениндинуклеотидфосфат

2) Флавиновые ферменты ≈ 30

Простетической группой является ФАД и ФМН. Это следующие после пиридинзависимых ДГ переносчики

НАД ∙Н2 + ФАД (ФМН)  ↔ НАД +Фн∙Н2

Фн 2Н 2℮‾

ФАД играет роль первичного переносчика р и е (окисление сукцината ЖК) ФАД, ФМН в отличи от НАД прочно связывается с субстратом

3) Убихинон, КоQ10, Q переносчик р и ℮‾ от Фн

Фн ∙Н2 +  Q ↔ Фн + Q ∙Н2

2Н 2℮‾ убихинол

4) Цитохромы переносят только электроны, имеют простетическую группу подобную гемму гемоглобина, отличаются белковым компонентом и некоторыми радикалами в простетической группе. Включается в такой последовательности:

cytb¦cytс₁¦cytc¦cyt aa₃

b₁ c₁ c – это промежуточные переносчики е.

аа₃ (цитохромоксидаза) – конечный переносчик, называется терминальным дыхательным ферментом, т.к. непосредственно взаимодействует с О₂ и содержит ионы Сu^+1→ Сu⁺² , основную функцию выполняет гемовое железо

Fe⁺³ (aa₃) ^+е (c) D Fe⁺² (aa₃)

2 Fе⁺² + ½ О₂^о D 2 Fе⁺³ + О^-2

О^-2 +2Н⁺ D Н₂О

На участках между НАД и Q происходит перенос 2℮‾, а с Q на суtb – только 1℮‾, поэтому в цепи на 1 НАД участвуют 2 ряда суt.

Упрощенная схема ЭПЦ.

S•H₂ (НАД – завис.) S•H₂ (ФАД - завис.)

$ $℮‾

НАД •H₂ ¦ Фн•H₂ ¦ Q•H₂ ¦ b ¦ c₁ ¦ c ¦ aa₃ + 1/2 О₂ "Н₂О

9 -------------------------------------------¦ 2Н⁺

Н2 от первичных доноров (S) вводится в дыхательную цепь с участием ФАД- и НАД- зависимых ДГ.

НАД- зависимые ДГ переносят Н⁺ с НАДН₂ на Фп, затем на убихинон, ФАД-зависимые ДГ переносят Н⁺ сразу на убихинон.

На стадии образования убихинона сливаются оба потока Н⁺ вводимых в дыхательные цепь НАД- и ФАД- зависимыми ДГ.

Затем пути р и е расходятся: р поступают в матрикс, ℮‾ через цитохромы передаются на О_2. В результате тканевого дыхания в сутки образуется ~ 300-400 мл. воды (так называемая «метаболическая» вода).

Строение митохондрий.

Обычно митохондрии имеют форму цилиндра с закругленными краями; дл. 1-4 мкм; d=0,3 – 0,7 мкм. В различных клетках форма, размеры, число митохондрий различно. Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны по типу мешок в мешке. Внутренняя мембрана (ВМ) имеет выпячивания кристы. Содержимое пространства, ограниченное вн.м., называется матриксом.

Наружная мембрана свободно проницаема для молекул с Мr до 5000Да. Проницаемость ВМ ограничена и избирательна и определяется наличием специальных транспортных систем. НАД-зависимые и некоторые ФАД-зависимые ДГ встроены во ВМ митахондрию, их АЦФ обращены внутрь матрикса, т.к. именно в матриксе находятся их S.

Сопряжение тканевого дыхания и фосфолирования.

Для образования АТФ необходима затрата энергии. В ЭПЦ она образуется на 3^-х участках

↓ ↓ ↓

НАД•H₂¦Фп¦Q•H₂¦b¦c₁¦c¦aa₃¦H₂o

Т.о. окислительное фосфорилирование – это синтез АТФ.

Ф-ты ЭПЦ фиксированы во ВМ митохондрий т.о., что их действие векторное (направленное).

Основным проявлением векторности в ЭПЦ является перенос протонов Н⁺ с внутренней стороны мембраны на наружную.

С НАД•Н2 ℮‾ переходят на Фп, Н⁺ освобождаются в ММП;

℮‾ с Фн•H₂ переходят на Q, а протоны опять поступают в ММП

Q•H² (убихинол) также высвобождает Н⁺ в ММП, электроны переходят на цитохромы.

Фп и Q получают протоны из матрикса, а НАД•H₂ от S.

Т.о., при переходе всего 2х ℮‾ в ММП переходят 6Н⁺. Цепь переноса е работает как протонный насос, перекачивая Н⁺ из матрикса в ММП; В результате по сторонам мембраны создается разность потенциалов со знаком + на НМ.

Электрохимический потенциал заставляет Н⁺ двигаться в обратном направлении, т.е. с наружной на внутреннюю мембрану. Однако ВМ не проницаема для Н⁺, за исключением специальных участков, называемых протонными каналами. В них на внутренней стороне располагается фермент Н⁺-АТФ-синтетаза, катализирующий реакцию: АДФ+Ф=АТФ+Н₂О – образующаяся АТФ при помощи фермента транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Транслоказа одновременно переносит АТФ в обратном направлении (из цитозоля в матрикс).

Все эти данные составляют основные положения хемиоосмотической теории Митчелла (1961г.) – теории окислительного фосфорилирования.

Каждая пара протонов способствует образованию 1 мол. АТФ.

Т.о, из НАД•H₂¦6Н⁺¦3 АТФ,

Фп•Н₂¦4Н⁺¦2 АТФ.

Разобщающие агенты.

Разобщение процессов тканевого дыхания и фосфорилирования наблюдается при наличии в клетках «протонофоров» - т.е. молекул, способных переносить Н⁺ через мембрану (ВМ). В этом случае выравнивается градиент концентрации, исчезает движущая сила фосфорилирования. К числу протонов относятся 2,4 динитрофенол, гормоны щитовидной железы, жирные кислоты и др.

Соединения, разобращающие окисление и фосфорилирования, называются разобщителями.

В митохондриях дыхание не всегда сопряжено с фосфорилированием. Такой путь окисления S-в в дыхательные цепи Ленинджером был назван свободным окислением или нефосфорилирующим окислением. В противном случае ЭПЦ работает «вхолостую», вся энергия окисляемых S переходят в тепловую. Митохондрии становятся своеобразной клеточной «печкой». Это необходимо в тех случаях, когда потребность в теплоте для организма важнее, чем потребность в энергии (при переохлаждении).

Для мышечных клеток производство теплоты – это не основная функция. В организме имеется ткань – «бурый жир», митохондрии, которые специализированы на выработке теплоты. Бурого жира много у новорожденных, с возрастом его количество убывает. Необычная для жира окраска обеспечивается большим содержанием в его клетках митохондрий, в них в 10 раз больше ферментов дыхания, чем ферментов фосфорилирования, т.е. они меньше настроены на производство АТФ, на тканевое дыхание. Разобщение дыхания и фосфорилирования в митохондриях бурого жира ведет к образованию теплоты, согревающей протекающую кровь.

Основные компоненты пищи.

С точки зрения законов термодинамики живые организмы – это термодинамически открытые системы, т.е. такие системы, которые постоянно обмениваются с внешней средой веществами и энергией (закрытые – только энергией). Обмен веществ живых организмов включает:

а) поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания).

б) превращение веществ в организме (промежуточный обмен или метаболизма).

в) выделение конечных продуктов обмена.

Масса тела взрослого человека сохраняется постоянной, т.е. масса потребляемых организмом веществ = массе выделяемых из организма веществ за то же время.

В каждой клетке организма происходит постоянный распад ее собственных структурно-функциональных компонентов, за счет чего образуется мономеры: АК, моносахара, ЖК, нуклеотиды и др. Они смешиваются с мономерами, образующимися при распаде продуктов питания, и образуют общий фонд метаболитов организма. Он расходуется по 2-м направлениям:

а) происходит возобновление распавшихся структурно – функциональных компонентов клетки;

б) превращение мономеров в конечные продукты обмена веществ, которые выводятся из организма.

При этом распаде у взрослого человека в сутки выделяется приблизительно 8-12 тысяч кдж. (2000-3000 ккал) энергии. Эта энергия расходуется:

а) на поддержания постоянной температуры тела;

б) на совершение разного рода работы.

Главную долю органических веществ пищи составляет Ж, Б, У, а также минорные компоненты пищи, требующиеся в малых количествах: витамины, минеральные вещества, вода.

Питание – составная часть обмена веществ

У здоровых У больных

Гигиена питания диетология

Среднесуточный рацион взрослого человека ≈ 3000ккал (1ккал=4,19 кДж)

Существует понятие сбалансированное рациональное питание, т.е.соотношение Б:Ж:У: 1:1:4

Среднесуточное потребление энергии с основными пищевыми веществами

у взрослого человека

Б	80г	328 ккал	1360 кДж
Ж	100г	930 ккал	3900 кДж
У	400г	1640 ккал	6800 кДж
∑	580г	2898 ккал	12060 кДЖ

АК: три 1г, глу 6г, остальные 2-6г.

В зависимости от пола, возраста, климатических условий, профессии эти показатели могут меняться.

Незаменимые компоненты пищи:

Многие пищевые вещества при их дефиците в пище могут синтезироваться клетками организма: жиры из углеводов, углеводы из аминокислот. Такие вещества называются заменимыми.

В ходе эволюции, когда пища содержала готовые витамины и АК, у человеческого организма постепенно отпала необходимость образовывать собственные ферменты для их синтеза, в результате были утрачены соответствующие гены. При этом стали проще метаболические пути, но вместе с тем возникала зависимость организма от поступления некоторых веществ из внешней среды.

Т.о., имеются группы веществ, являющихся для организма незаменимыми. Наличие их в организме жизненно необходимо, синтезировать их организм не в состоянии, поэтому они должны поступать с пищей:

а) некоторые АК

б) некоторые ЖК ( арахидоновая, линолевая, линоленовая)

в) витамины

г) минеральные вещества

д) вода

Аминокислоты делят на 4 групы:

1) незаменимые: вал, лиз, иле, тре, мет, фен, три.

2) частично заменимые: гис, арг,

3) условно заменимые: цис, тир.

4) заменимые: ала, асп, асн, глу, глн, про, гли, сер.

Если в клетке отсутствуют заменимые АК, организм синтезирует ее из других веществ .

Если же в организме отсутствует хотя бы 1 незаменимая АК, то полностью прекращается синтез белков (!)

Частично заменимые АК: Гис и арг синтезируется в организме, однако скорость их образования недостаточна по сравнению с потребностью в них

Условно заменимые АК: могут синтезироваться из незаменимых: тир из фен, цис из мет. Т.о. они заменимы, если в организм в достаточном количестве поступили АК фен и мет.

Незаменимые ЖК: большинство Ж.К. при дефиците их в пище могут синтезироваться из углеводов.

Незаменимыми являются некоторые полиненасыщенные Ж.К.:

Линолевая СН₃ – (СН₂)₄-СН=СН-СН₂ СН=СН-(СН₂)₇-СООН (С₁₈)

Арахидоновая – (С₂₀)

Линоленовая – (С₁₈)

Линолевая и линоленовая Ж.К. являются предшественниками арахидоновой, а из последней синтезируются гормоноподобные вещества – простагландины – высокоактивные биологические вещества.

Минеральные вещества– это хлориды, фосфаты, карбонаты Na⁺, К⁺, Са⁺², Мg⁺², а также микроэлементы Cr, Zn, Со, Сu, Мо и т.д. – поступают с водой и растительной пищей. Их недостаточность возникает редко (железодефицит, анемия, эндемичный зоб)

Вода – небольшое количество воды (≈400г. метаболической воды) образуется в организме при обмене Ж, Б, У, суточная потребность 1750-2200 мл, она поступает в организм с продуктами биологического и небиологического происхождения.

ЛЕКЦИЯ 10