Тема: Биологическое окисление: этапы, цикл Кребса

Кафедра биохимии

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ

для студентов 2 курса

лечебно-профилактического

факультета

Модуль 2. Биологическое окисление

Автор: к.б.н., доцент кафедры биохимии Гаврилов И.В.

Екатеринбург,

2013г
ЛЕКЦИЯ № 4

Тема: Биологическое окисление: этапы, цикл Кребса,

Пути использования кислорода в тканях.

История развития учения о биологическом окислении

Изучение окисления в организме было начато в 18 в. А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование БО (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР - А. Н.Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др.

В 1777г французский химик Антуан ЛоранЛавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О₂. Так как горение и дыхание сопровождаются потреблением О₂ и выделение СО₂, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения: оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию окисления», согласно которой молекула О₂ сначала активируется. Активация О₂ происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам – оксидазам. Активированный О₂ при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.

Теория «перекисного окисления» Баха нашла свое подтверждение, однако главный механизм БО оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о БО принадлежит русскому ученому ботанику и биохимику В.И.Палладину (1859-1922), который создал теорию дыхания, как совокупности ферментативных процессов. Он предположил, что окисление субстратов может происходить в 2 фазы:

1). Анаэробная фаза. В этой фазе особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH₂).

2). Аэробная фаза. Восстановленные хромогены RH₂ передают Н на О₂.

В последствии теория В.И. Паладина подтвердилась для процессов митоходриального окисления, а хромогены, принимающие участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются ферментами дегидрогеназами.

Цикл Кребса

ЦТК является процессом окисления АцетилКоА - универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В ЦТК участвуют 5 витаминов В₁, В₂, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД⁺, КоА и липоата.

Основной функции ЦТК является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических соединений.

Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования АК, липогенеза и синтеза гема. Интегрирует все виды обмена веществ.

Регуляция ЦТК. Осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитрат ДГ, α-КГ ДГ и СДГ. ЦТК ингибируется в основном НАДН₂ и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют ЦТК в основном НАД⁺ и АДФ.

Реакции ЦТК

1). Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют ЩУК, НАД⁺; ингибируют АТФ, НАДН₂, Сукцинил-КоА, цитрат.

2). Аконитаза локализуется в матриксе митохондрий.

3). Окислительно-восстановительная реакция, самая медленная в ЦТК.

Изоцитратдегидрогеназа локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют АМФ, Са²⁺, АДФ, НАД⁺; ингибируют АТФ, НАДН₂.

4). Окислительно-восстановительная реакция.

α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД⁺, ФАД.

α-КГ ДГ активируется Са²⁺, ингибируется сукцинил-КоА, АТФ, НАДН₂.

5). Реакция субстратного фосфорилирования

6). Окислительно-восстановительная реакция.

Сукцинатдегидрогеназа, флавопротеин содержащий Fe₂S₂, связана с внутренней мембраной митохондрии. СДГ ингибирует ЩУК и Сукцинил-КоА,

7). Фумараза локализуется в матриксе митохондрий.

8). Окислительно-восстановительная реакция.

Малат ДГ локализуется в матриксе митохондрий.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь.

ЛЕКЦИЯ № 5

Процесс окисления

Процесс окисления происходит при движении электронов по дыхательной цепи от субстратов тканевого дыхания на кислород. Дыхательная цепь окислительного фосфорилирования состоит из 4 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами. Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс –самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe₂S₂ и Fe₄S₄) белков. Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.Комплекс III – Комплекс b-c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b₅₆₂, b₅₆₆, с₁, и железо-серный белок.Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а₃) и 2 атома меди.Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q₁₀). Убихинон переносит по 2Н⁺ и 2е^-. убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинонЦитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН₂ дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c₁, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.Электрохимический потенциал.Компоненты дыхательной цепи располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе е^- от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. При окислении 1 НАДН₂ выделяется 220 кДж/моль свободной энергии.I, III и IV комплексы дыхательной цепи используют 65-70% этой свободной энергии для переноса Н⁺ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, 30-35% свободной энергии рассеивается в виде тепла. Этапы движения е^- по дыхательной цепи1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).2. КоQ с 2е^- забирает у воды 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен). При переносе Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство на внутренней мембране создается осмотический градиент протонов ∆рН = 60 мВ (при ∆рН=1) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый Н⁺ несет положительный заряд, на внутренней мембране также появляется разность потенциалов ∆V=160мВ, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 60+160=220 мВ. Механизм переноса Н⁺ через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Образовавшийся на внутренней мембране митохондрий электрохимический потенциал используется для:1) фосфорилирования АДФ в АТФ; 2) транспорта веществ через мембрану митохондрий; 3) теплопродукцию.Процесс фосфорилированияПроцесс фосфорилирования осуществляется АТФ-синтетазой (Н⁺-АТФ-аза), которая потребляет 40-45% свободной энергии, выделившейся при окислении. Н⁺-АТФ-аза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий, она состоит из 2 белковых комплексов F₀ и F₁.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану и служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Он состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс. Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, δ, ε). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя «головку»; между а- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ, δ, ε – субъединицы связывают комплекс F1, с F0.

АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей.Электрохимический потенциал внутренней мембраны заставляет Н⁺ двигаться из межмебранного пространства по каналу АТФ-синтазы в матрикс митохондрий. При каждом переносе протонов через канал F_o энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла: 1) связывание АДФ и Н₃РО₄; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ.

Теплопродукция

30-35% свободной энергии рассеива­ется в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание темпе­ратуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при paзобщении дыхания и фосфорилирования в бурой жировой ткани. Она содержит много митохондрий с большим количеством дыхательных ферментов и разобщающего бе­лка термогенина (РБ-1, около 10% всех белков). Ра­зобщение окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду.

У взрослых людей важную роль в термогенезе при переохлаждении играют жирные кислоты. Охлаждение стимулирует выделение норадреналина, который активирует липазу в жировой ткани и гидролиз ТГ. Образующиеся свободные жирные кислоты способны не только быть топливом дыхательной цепи, но и переносить протоны через мембрану в матрикс митохондрий разобщая дыхание и фосфорилирование. Обратно жирные кислоты в ионизированной форме возвращаются с помощью переносчиков.

Дыхательный контроль

В норме субстраты тканевого дыхания и О₂ находятся в достаточном количестве и не лимитируют окислительное фосфорилирование. Активность окислительного фосфорилирования ограничивает только концентрация АДФ, которая обратно пропорциональна концентрации АТФ.

При нагрузке концентрация АТФ снижается, а АДФ увели­чивается, что ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АТФ увеличивается, а АДФ снижается, что тормозит дыхание и фосфорилирование.

Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клет­ки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» мень­ше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины.

При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет —7,3 ккал/моль.

Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ — главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ—АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта».

ЛЕКЦИЯ № 6

Монооксигеназные реакции

Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН₂, НАДН₂, реже витамин С:

S-Н + О₂ + RH₂ → S-ОН + Н₂О + R (где R = НАДФН₂, НАДН₂, витамин С)

Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии.

Диоксигеназные реакции

Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода:

S + О₂ → SО₂

Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР.

Гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe²⁺, участвует в катаболизме тирозина:

L-триптофандиоксигеназа печени, содержит гем, участвует в катаболизме триптофана:

Образование активных форм кислорода

АФК во многих клетках образуются в основном в ферментативных и неферментативных реакциях в результате последовательного присоединения е^- к кислороду:

1) О₂ + 1е^- → О^∙₂ супероксидный анион-радикал (˙О::О:).

2) О^∙₂ +1е^- → О^2-₂ пероксидный анион (:О::О:), он быстро протонируется с образованием перекиси водорода О^2-₂ + 2Н⁺ → Н₂О₂ (Н:О::О:Н)

3) Н₂О₂ + 1е^- → НО^∙ + ОН^- гидроксильный радикал, ОН^- протонируется с образованием воды ОН^- + Н⁺ → Н₂О

4) ОН^∙ + 1е^- → Н₂О (Н:О:Н)

Ферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать ЦПЭ. Утечка е^- из ЦПЭ на кислород является основным путем образования АФК в большинстве клеток:

1. В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 е^- превращается в свободный радикал семихинон НQ^∙, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O₂ → Q+ О^∙₂ + H⁺;
2. в монооксигеназных реакциях е^- с цитохрома Р₄₅₀ переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.
3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят е^- и Н⁺ с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз — оксидазы амино­кислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, лока­лизованные в пероксисомах.

Неферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать:

1).Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe²⁺ или ионов других пе­реходных металлов катализирует обра­зования АФК. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина спо­собствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe²⁺) + O₂ → MetHb(Fe³⁺) + О^∙₂

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + HO^- + HO· (реакция Фентона)

HOCl + Fe²⁺ → Fe³⁺ + Cl^- + HO· (реакция Осипова)

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О^∙₂ + Н₂О₂ → О₂ + НО^∙ + ОН^-

АФК также могут образовываться в организме неферметативно при гомолитическом разрыве связей под действием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение вызывает например, радиолиз воды с образованием Н₂; Н₂О₂ и свободных радикалов: Н^·, НО^∙, О^·. Это процесс в основном происходит на поверхности тела - в коже (понятие фотостарения).

Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

Кафедра биохимии

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ

для студентов 2 курса

лечебно-профилактического

факультета

Модуль 2. Биологическое окисление

Автор: к.б.н., доцент кафедры биохимии Гаврилов И.В.

Екатеринбург,

2013г
ЛЕКЦИЯ № 4

Тема: Биологическое окисление: этапы, цикл Кребса,