ВОПРОС 5. Ферменты, принимающие участие в тканевом дыхании

90% поступившего в организм кислорода восстанавливается до воды в электрон-транспортной (дыхательной) цепи митохондрий: О₂ + 4е^- + 4Н⁺ → 2Н₂О.

В дыхательную цепь митохондрий входит большое число различных белков, осуществляющих в определенной последовательности перенос электронов от субстратов на кислород. В упрощенном виде последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи можно изобразить следующим образом:

Субстрат→ НАД → Е-ФМН → [Fe-S]_n→Ko-Q→[Fe-S]_n→ b→ c₁→c→aa₃→ О₂

переносчики электронов в дыхательной цепи

Характеристика ферментов, принимающих участие в тканевом дыхании.

1) Пиридиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов производные витамина РР (никотинамида): НАД (никотинамиддинуклеотид) и НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря НАД – зависимым дегидрогеназам, которые катализируют реакции дегидрирования органических молекул по схеме:
SH₂ + НАД⁺ ↔ S + НАДН + Н⁺. В качестве органических молекул (SH₂) выступают пируват, жирные кислоты, глутамат, метаболиты ЦТК: изоцитрат, α-кетоглутарат, малат и др. В данном случае ферменты относят к первичным дегидрогеназам (отнимают атомы водорода непосредственно от окисляемого вещества). В дальнейшем электроны и протоны передаются от восстановленной формы НАДН₂ в дыхательную цепь на Е-ФМН (НАДН-дегидрогеназа). НАДФ-зависимые дегидрогеназы катализируют реакции по схеме: SH₂ + НАДФ⁺ ↔ S + НАДФН + Н⁺. Большая часть восстановленной формы НАДФН₂ образуется в пентозофосфатном цикле окисления глюкозы, локализованном в цитоплазме клетки. В дальнейшем НАДФН₂ используется в процессах синтеза жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов и др. Восстановительные эквиваленты (атомы водорода или электроны) от НАДФН₂ могут поступать в дыхательную цепь, но сначала они должны быть переданы на НАД в реакции: НАДФН₂ + НАД ↔ НАДФ + НАДН₂.

2) Флавинзависимые дегидрогеназы. Содержат в качестве простетической группы производные витамина В₂ (рибофлавина): ФМН (флавинмононуклеотид) или ФАД (флавинадениндинуклеотид). ФМН-зависимая НАДН-дегидрогеназа (Е-ФМН) является компонентом дыхательной цепи, принимает электроны от восстановленной формы НАДН₂ по схеме: НАДН + Н⁺ +Е-ФМН ↔ НАД + Е-ФМНН₂. Далее электроны от ФМНН₂ поступают на кофермент-Q. Подобные ферменты называются вторичными дегидрогеназами (принимают электроны (и протоны) от первичной дегидрогеназы). ФАД-зависимые дегидрогеназы относятся к первичным дегидрогеназам, катализируют реакции окисления органических молекул по схеме: SH₂ + ФАД ↔ S + ФАДН₂. В качестве органических молекул (SH₂) выступают жирные кислоты и янтарная кислота (метаболит ЦТК). В дальнейшем электроны и протоны передаются от восстановленной формы ФАДН₂ в дыхательную цепь.

3) Железо-серные центры или Fe-S-белки ( [Fe-S]_n ) (содержат негеминовое железо и атомы серы) ассоциированы с НАДН-дегидрогеназой, сукцинатдегидрогеназой и цитохромом b. Железо-серные центры участвуют в транспорте электронов за счет обратимого изменения степени окисления атомов железа [Fe (II) – Fe (III)].

4) Убихинон или кофермент-Q (Ко-Q) – этожирорастворимый хинон с боковой цепью из десяти пятиуглеродных изопреновых звеньев, его обозначают Q₁₀. Убихинон выполняет коллекторную функцию, собирая восстановительные эквиваленты от НАДН-дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ по схеме:
Е-ФМНН₂ (Е-ФАДН₂) + Ко-Q ↔ Е-ФМН (Е-ФАД) + Ко-QH₂.

5) Цитохромы. Цитохромы принадлежат к классу гемопротеинов, молекулы которых содержат железо, входящее в состав железопорфириновой группы, или гема, напоминающего по своему строению простетическую группу гемоглобина. Существуют три класса цитохромов: a, b, c. Цитохромы являются компонентами дыхательной цепи, где располагаются в следующем порядке: b → c₁ → c → aa₃. Каждый из цитохромов присоединяет электрон по схеме: Fe³⁺ + e^- ↔ Fe²⁺. Последним в ряду переносчиков электронов в дыхательной цепи стоит цитохром aa₃, называемый также цитохромоксидазой, поскольку он переносит электроны прямо на кислород. Цитохром аа₃ содержит в своем составе дополнительно два атома меди [Cu (II) – Cu (I)], которые участвуют в переносе электронов на кислород. Из всех переносчиков цепи переноса электронов только цитохром аа₃ способен вступать непосредственно в реакцию с кислородом.

ВОПРОС 6. Полная и укороченная дыхательная цепь. Конечные продукты, выход АТФ. Окислительное фосфорилирование. Факторы, вызывающие нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования.

Терминальным этапом биологического окисления является дыхательная (электрон-транспортная) цепь. Почти все атомы водорода, отщепляемые дегидрогеназами от молекул клеточного топлива в аэробных клетках, в конце концов, передают свои электроны в дыхательную цепь, т.е. на тот общий путь, который ведет к конечному акцептору электронов – кислороду: ½ О₂ + 2е^-→ О^2-. Активированный кислород присоединяет два протона с образованием конечного продукта – воды: О^2- + 2Н⁺ → Н₂О. Дыхательная цепь состоит из ряда белков-ферментов, которые располагаются во внутренней мембране митохондрий в порядке увеличения окислительно-восстановительного потенциала. В процессе переноса электронов в дыхательной цепи высвобождается свободная энергия, которая запасается в форме АТФ.

Электронпереносящие комплексы дыхательной цепи:

Сукцинат

ФАДН₂ комплекс II

[FeS]_n

НАДН₂ → ФМН [FeS]_n→KoQ→ [FeS]_n → b → c₁→ c → aa₃ Cu²⁺→ ½ О₂

-0,32 В +0,82 В

комплекс I комплекс III комплекс IV

Комплекс I - НАДН: убихинон-оксидоредуктаза.

Комплекс II - Сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза

Комплекс III - Убихинол: цитохром с – оксидоредуктаза

Комплекс IV - Цитохромоксидаза

Полная дыхательная цепь включает комплексы: I, III и IV. Укороченная дыхательная цепь включает комплексы: II, III и IV.

Механизм окислительного фосфорилирования. Энергия переноса электронов в дыхательной цепи приводит к формированию электрохимического градиента протонов водорода Н⁺ на внутренней сопрягающей мембране митохондрии. В дальнейшем электрохимический градиент используется для синтеза АТФ.

	Н+
		Н+		Н+

матрикс ФАДН₂ АДФ + Ф_н АТФ + Н₂О

НАДН+H^{+ [Fes]} н₂о АТФ-синтетаза

------------------------ ^2e------------------------------------------------- -------- --------------_{внутренняя}

2е^- [FeS]FMH→Ko-Q→[FeS]b → c₁ →c →aa₃ 2 е^-→½О₂ →О^2- F_{o мембрана}

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

^{пространство}

Протоны водорода возвращаются обратно в матрикс через фермент АТФ-синтетазу, которая трансформирует энергию электрохимического градиента в химическую энергию макроэргической связи АТФ. Окислительное фосфорилирование – это синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты с использованием энергии окисления водорода в дыхательной цепи.

В полной дыхательной цепи находится три пункта сопряжения окисления и фосфорилирования (в I-ом, III-ем и IV-ом комплексах), энергия переноса двух электронов от НАДН₂ на кислород обеспечивает синтез 3-х молекул АТФ. В укороченной дыхательной цепи находится два пункта сопряжения окисления и фосфорилирования (в III-ем и IV-ом комплексе), энергия переноса двух электронов от ФАДН₂ обеспечивает синтез 2-х молекул АТФ.

Факторы, вызывающие нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования.

Необходимыми условиями для нормального осуществления окислительного фосфорилирования являются такие свойства внутренней сопрягающей мембраны митохондрий, как целостность и непроницаемость для ионов (Н⁺, ОН^-, К⁺ и др.). Факторы, приводящие к нарушению этих свойств, вызывают разобщение окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи. В результате вся энергия переноса электронов от субстрата к кислороду может продолжаться, но рассеивается в виде тепла (свободное окисление). К разобщающим факторам относятся:

1) охлаждение организма, приводящее к повышенному образованию свободных жирных кислот, которые возвращают Н⁺ обратно в матрикс.

2) 2,4-динитрофенол – повышает проницаемость внутренней мембраны для Н⁺, связывает протоны и возвращает их обратно в матрикс.

3) антибиотики: грамицидин, валиномицин (увеличивают проницаемость внутренней сопрягающей мембраны для К⁺ и Na⁺).

4) гипертиреоз – при гиперпродукции гормонов щитовидной железы (тироксина и трийодтиронина) наблюдается нарушение целостности внутренней мембраны митохондрий.

ВОПРОС 7. Пути использования кислорода в организме. Микросомальное окисление. Активные формы кислорода. Антиоксидантная система организма.

Пути использования кислорода в организме:

I. Оксидазный. 90% всего потребляемого кислорода восстанавливается в клетках с участием цитохромоксидазы митохондрий в дыхательной цепи. Конечный продукт - вода. Цель – синтез АТФ.

II. Оксигеназный. Происходит с участием ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, в которых атомы кислорода включаются в молекулу субстрата с образованием, например, новой гидроксильной или карбоксильной группы. Эти ферменты называются оксигеназами. Есть два класса оксигеназ: диоксигеназы и монооксигеназы. Диоксигеназы катализируют реакции включения в молекулу субстрата двух атомов: R + O₂ → RO₂. Монооксигеназы катализируют реакции включения в субстрат одного атома кислорода; второй атом висстанавливается при этом до Н₂О: SH + BH₂ + O₂→S-OH + B + H₂O. Ферменты монооксигеназы (гидроксилазы) – катализируют реакцию включения одного атома кислорода из молекулы кислорода в состав субстрата в виде гидроксильной группы. Второй атом кислорода восстанавливается до молекулы воды, в качестве донора водорода используется НАДФН+Н⁺ или другие доноры водорода. Участником монооксидазных реакция является цитохром Р₄₅₀ . Вся энергия окисления в цепи микросомального окисления рассеивается в виде тепла. Роль микросомального окисления: 1) Пластическая. Например, синтез стероидных гормонов, норадреналина, холестерина, желчных кислот, простагландинов, активных форм витамина D и др. 2) Окисление чужеродных веществ (ксенобиотиков - ядохимикатов, лекарственных веществ, косметических препаратов) и токсичных продуктов обмена веществ (билирубина, индола, крезола). Микросомальное окисление происходит к мембранах эндоплазматической сети.

Схема цепи микросомального окисления

SH
O=О
HAДФН+Н⁺ Н: ФАДН₂ ^2е FeS-белки ^2е цитохром _Р450
Н⁺ S-OH
2Н⁺ H₂O

III. Пероксидазный. Образование активных форм кислорода (АФК) происходит в результате неполного восстановления молекулы кислорода:

О₂ + e^- →O₂^-(супероксидный радикал); О₂ + e^- + 2Н⁺→Н₂O₂ (пероксид водорода);

Н₂O₂ + e^- + Н⁺ → Н₂О + Н (гидроксильный радикал)

В физиологических концентрациях АФК участвуют процессах: фагоцитоза, апоптоза, синтеза простагландинов, синтеза тироксина, обновдения мембран и др. В больших количествах АФК проявляют токсическое действие – вызывают пероксидное окисление липидов (ПОЛ), окислительную модификацию белков и окислительное повреждение ДНК.

Антиоксидантная система (АОС) организма включает два основных способа: неферментативный (витамины А, Е, С) и ферментативный (супероксиддисмутаза – СОД, каталаза, пероксидаза, глутатионредуктаза).

Дата добавления: 2014-05-28; просмотров: 1688; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!