Биологическое окисление

Метаболизм представляет собой совокупность двух разнонаправленных процессов: катаболизма, анаболизма и энергетический обмен.
Обмен веществ включает:
поступление веществ в организм;
выделение конечных продуктов обмена.
1 – пищеварение;
2,4 – катаболизм;
3 – анаболизм;
5 – экзергонические реакции
6, 7 – эндергонические реакции;
8 – выделение конечных продуктов
Катаболизм-сложные вещества деградируют до простых выделяя энергию
Анаболизм-сложные вещества синтезируются из простых с затратами энергии

Экзергонические реакции ΔG<0 Эндергонические реакции ΔG>0
1г. белков – 17кДж (4,2ккал)
1г. углеводов ̴ 17кДж (4,1ккал)
1г. жиров – 39 кДж (̴̴ 9,2ккал)
Свободная энергия Гиббса-(Δ G) или свободная энтальпия-
определяет спонтаность течения реакции.
Реакция течет спонтанно.
Реакция не может протекать спонтанно,
она нуждаетс я в добавлении свободной энтальпии.

Центральную роль в энергическом обмене играет АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ две высокоэнергетические (макроэргические) связи α и ɤ, они обозначены на рисунке знаком – (тильда).

Энергия Гиббса гидролиза некоторых соединений
Если энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза превышает 30 кДж/моль, то гидролизуемую связь называют макроэргической.
Т. о, в молекуле АТФ содержится 2 макроэргические связи. Следовательно, энергия выделяющаяся в первых двух реакциях используется для фосфолирирования АДФ, т. е. синтеза АТФ.
Такой вид фосфолирирования называется субстратным фосфорилированием.

Наиболее важными экзергоническими реакциями метаболизма являются реакции окисления органических веществ, в которых используется кислород и образуется вода и СО2
. Совокупность этих реакций называется тканевым дыханием.
Этапы тканевого дыхания:
А – окисление субстратов путем дегидрирования и многоэтапный процесс переноса электронов на кислород;
Б – перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии;
часть этой энергии рассеивается в виде теплоты, а ≈ 40% используется на синтез АТФ

Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительным фосфорилированием.
Окислительное фосфолирирование происходит в митохондриях, которые являются основными поставщиками АТФ и могут рассматриваться как «энергетические станции» клетки.
Митохондрии представляют собой небольшие органеллы овальной формы, их количество клетки может достигать 2000.

Функция дыхательной цепи заключается в ситезе АТФ, которая затем может использоваться для энергетически невыгодных реакциях. Хемиосмотическая гипотеза Митчелла 1961 года гласит, что энергия хранится в протонном градиенте который образуется во внутренней митохондриальной мембране. Энергия для создания этого градиента поступает из восстановленных коферментов. Основными поставщиками восстановительных эквивалентов для дыхательной цепи являются NADH2 и FADH 2. Эти востановительные коферменты в основном образуются в цикле Кребса и из ß-окисления . Два NADH2 обеспечивает гликолиз при расщеплении молекулы гексозы в пируват (рис. 2.6). Энергия высвобождается путем переноса атомов H на кислород с образованием H20. Протонный градиент служитдля формирования энергетической "валюты" АТФ организма с помощью АТФ-синтазы.

Дыхательная цепь как цепь переноса электронов
-Химическая реакция, лежащая в основе образования воды в дыхательной цепи, - это реакция взрывного газа:
Эта реакция сильно экзергонная. но в дыхательнойцепи энергия высвобождается не сразу, а в нескольких небольших пакетах. Это достигается за счет что электроны, которые переносятся из водорода в кислород в этой реакции. постепенно проходит через несколько окислительно-восстановительных систем, прежде чем они вступят в реакцию с кислородом.Дыхательная цепь содержит 4 таких окислительно-восстановительных системы (комплексыI-IV), с различным окислительно-восстановительный потенциаллом, т. е. разное сродство к электронам. Если находятся несколько таких окислительно-восстановительных системами рядом Соединяясь то, электроны из системы текут от систем с самым отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом к системе с самым положительным окислительно-восстановительным потенциалом . В дыхательной цепи электроны восстановленных коферментов переносятся таким образом из комплекса I в комплекс IV (рис. 2.7). Особенно важно то, что энергия, высвобождаемая при отдельных электронных переходах, используется для перекачки протонов через мембрану и, таким образом, генерирует электрохимический градиент. Однако это происходит только через комплексы I, III и IV, КОМПЛЕКС II не переносит протонов (рис. 2.8).

Комплексы дыхательной цепи
Комплекс 1: НАДН-убихинон-редуктаза
ln комплекс I происходит перенос электронов от NADH + H к убихинону, также называемому коферментом Q. Это происходит в течение двух промежуточных этапов. Комплекс I содержит в качестве простетической группы флавинмононуклеотид (FMN). В первом этапе передает NADH + H свои два электрона на FMN.Затем востановленный при этом FMNH2 дает эти электроны на железа -серный кластер , по крайней мере шесть из которых находятся в комплексе I. От него происходит передача электронов на убихинон, который в результате превращается в убихинол. Энергия, которая высвобождается в этом процессе, выталкивает четыре протона из матрикса в пространство внутренней мембраны.

Кластер железасерный встречаются в разных вариантах. В качестве простетической группы, они координированы с различными остатками цистеинабелка. Например, в зависимости от количества атомов железа и серы существуют кластеры [1Fe - 0S] (рис. 2.11. Другие возможные варианты включают [2Fe-2S] -, [3Fe-4S ]-или [4Fe-4S]. Выдающейся особенностью этих кластеров является то, что благодаря двум возможным степеням окисления железа, (+2 и +3), они могут поглощают и отдавать электроны.

Комплекс II: Сукцинат-убихинон-редуктаза
Комплекс II дыхательной цепи одновременно является ферментом цитратного цикла, а именно сукцинатдегидрогеназой. Это единственный фермент цитратного цикла, связанный с мембраной. Задача комплекса II заключается в переносе водорода из сукцината в убихинон; протоны не транслоцируются в межмембранное пространство. Кроме того, эта передача проходит через промежуточную точку, в данном случае через FADH2
• Кроме того, кластеры железа и серы также участвуют в переносе электронов. Кроме того, в комплекс входит цитохром в560. Комплекс II не участвует в переносе протонов. Это также является причиной того, что FADH2 в дыхательной цепи доставляет только – 2(1,5) АТФ , в то время как выход НАДН + Н составляет –(3) 2,5 АТФ.

Ubichinon-Ubichino Системы
Убихинон или кофермент Q состоит из одного хинона и одной изопреновая боковой цепи. Структурно он имеет сходствос жирорастворимыми витаминами Е и К. Из-за липофильного хвоста, он может свободно перемещаться во внутренней митохондриальной мембране. После включения востановительных эквивалентов (2 протона и 2 электрона) из комплекса I комплекс 2 восстанавливает убихинон до убихинола (рис. 2.12), который также называется убихидрохиноном или восстановленным коферментом Q (QH2).
Кроме того, есть еще один третий способ получения убихинола. На первой стадии цикла β-окисленияацил-КоА обезвоживается до эноил-КоА создавая двойную связь. Два атома водорода доставляются в FAD в этой реакции. Образовавшийся в результатеFADH2 также может присоединять свои атомы водорода к убихинону. Однако для этого не нужен собственный комплекс. FADH2 отдает свои два атома водорода в электронно-переносящий флавопротеин (ETF = флавопротеины переноса электронов). Этот ETF направляет электроны в ETF Ubichinonредуктазу. которая в конце концов переносятся на Убихинон.

Комплекс III: Убихинол-цитохром с-редуктаза
Задача комплекса 3 теперь заключается в передаче электронов убихинола на цитохром С. Цитохром с расположен в межмембранном пространстве и там слабо связан свнешней стороной внутренней митохондриальной мембраны.Восстановленная молекула цитохрома с переносит один электрон из комплекса 3 в комплекс IV (цитохром с-оксидаза,см.). Как и комплекс I, комплекс 3 также представляет собой протонный насос.При переносе электроной пары на две молекулы Цитохром с, переносит в общей сложности четыре протона в межмембранное пространство.

Цитохромы
Цитохромы - это гемсодержащие белки. В видимом свете спектра поглощения востановительные группы гема имеют три пика (а:, β и y). альфа: - пик, по сути, характерен для группы цитохромов. Они классифицируются на цитохромы a, b и c из-за различных пиков . Эти три группы, помимо разных спектров поглощения, различаются еще и тем, что каждоекольцо порфирина замещено по-разному.
• От цитохромов b-типа, например, содержат участок гема, что гемоглобину соответствует.
• в цитохроме от a-типа порфириновое кольцо содержит еще один гидрофобный изопреновый конец
• Цитохромы с-типа связываются с однимбелком через два остатка цистеина.Наиболее важным свойством цитохромов является то, что их простетические группы, группы гема, содержат центральный атом железа. Он может быть представлен в трехвалентной (Fe 3+) или двухвалентной (Fe 2+) форме. Это позволяет цитохромам участвовать в переносе электронов в дыхательной цепи.

Комплекс IV: цитохром-с-оксидаза
Задача комплекса IV заключается в переносе электронов с цитохрома с на молекулярный кислород. Как и во всех других комплексах, это не происходит напрямую. Комплекс IV, в отличие от комплексов 1 - 3, не содержит железасерного кластера. Вместо этого в транспортировке электронов участвуют два цитохрома, а именно цитохром а и цитохром а3, а также два атома меди Cu а и Cu b.В конечном счете, в комплексе IV последовательно 2 электрона переносятся с цитохрома с на 1 атом кислорода:
Одновременно из матричного пространства удаляются четыре протона. Два из этих протонов соединяются с дважды отрицательно заряженным кислородом в воду (., окислительная вода"):Два других протона переносятся в межмембранное пространство.

Комплекс V: АТФ-синтаза
Комплексы I. lll и IV способствуют созданию протонного градиента через внутреннюю мембрану митохондрий. Синтаза (F1-F0) АТФ (комплекс V) использует этот градиент для преобразования АДФ и фосфата в АТФ и Н20 в рамках окислительного фосфорилирования. ·Комплекс V дыхательной цепи состоит из двух разных субъединицы F0 и F1.
F0 - канал протонов, по которому протоны из
межмембранное пространство может перетекать обратно в матрикс.
F1 - это фактический каталитический участок комплекс V. Он состоит из y,δ, ε субъединицы и гексамера а3β3 в котором локализированны 3 активных цетра АТФ азы..
Поток протонов двигаясь через участок F0 АТФ-синтазы приводит к вращательное движение в участке F1 и связанный АТФ высвобождается. При этом вращается y,δ участок субъединицы
F1 относительно a 3ß3-гексамера.

Строение и механизм действия
АТФ - синтетазы.
А – F0 и F1 – комплексы АТФ – синтазы. В состав F0 входят полипептидные цепи, которые образуют канал, пронизывающий мембрану насквозь. По этому каналу протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства; белок F1 выступает в матрикс с внутренней стороны мембраны и содержит 9 субъединиц, 6 из которых образуют 3 пары α и β («головка»), прикрывающие стержневую часть, которая состоит из 3 субъединиц γ, δ и ε, γ и ε подвижны и образуют стержень, вращающийся внутри неподвижной головки и связанный с комплексом F0. В активных центрах, образованных парами субъединиц α и β, происходит связывание АДФ, неорганического фосфата (Рi) b и АТФ. Б – Каталический цикл синтеза АТФ включает 3 фазы, каждая из которых проходит поочередно в 3 активных центрах: 1 – связывание АДФ и H3PO4; 2 – образование фосфоангидридной связи АТФ; 3 – освобождение конечного продукта. При каждом переносе протонов через канал F0в матрикс все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла. Энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация α- и β-субъединиц и происходит синтез АТФ.

Коэффициент фосфорилирования P/O
Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФ-синтазой, к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу Н2О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.Для NADH+H он равен 3 (2,5) FADH2 он равен 2 (1,5).
Выход протонов в дыхательной цепи
Следующие комплексы участвуют в транспорте протонов в дыхательной цепи.
вовлеченный:
• Комплекс 1: на 1 NADH + H закачиваются 4 протона.
• Комплекс 3: на убихинол также закачиваются 4 протона в межмембранное пространство.
• Комплекс 4: на каждую образовавшуюся молекулу воды используются 2 протона
из матричного пространства. Кроме того, 2 протона закачиваются в межмембранное пространство. Следовательно, IV закачивает 2 протона.
В целом комплексы I, 3 и 4 закачивают в межмембранном пространстве 10 протонов.

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в межмембранные пространства содержат НАД. Они катализируют реакции типа
R – CHOH – R1 + NAD+ ↔ R – CO – R1 + NADH + H+
каталитическим центром НАДа является витамин РР

В матриксе митохондрии идут реакции окисления субстратов (метаболитов распада углеводов, липидов, глутаминовой кислоты) путем дегидрирования, т. е. потерей протонов и электронов. Эти ферменты являются сложными, т. е. кроме белковой части, которая является субстратной площадкой для метаболита, содержат и коферменты НАД, ФАД или ФМН.
Например, в матриксе митохондрии идет окислительное дезаминирование глутамата под действием НАД-зависимой дегидрогеназы.

Строение железо-серных центров
Ι - FeS - центр; атом железа связан координационными связями с четырьмя атомами серы, принадлежащими четырём остаткам цистеина в белка.
ΙΙ - Fe2S2 – центр; каждый из двух атомов железа связан координационными связями с двумя атомами неорганической серы и двумя остатками цистеина в белке.
ΙΙΙ - Fe4S4 – центр; могут находиться в окисленном (Fe2) состоянии.

→
2е-, 2H+
Q
Q H2

Витамин В2 - рабочая часть коферментов ФМН и ФАД, отщепляющая водород от –СН2- СН2- в отличие от
НАД, отщепляющий водород от групп –СНОН-
ФАД зависимые дегигдродгеназы – комплекс ΙΙ расположенный на границе с матриксом.

На внутренней мембране митохондрии существует система переносчиков, их действие векторно. Они переносят протоны и электроны с восстановленных метаболитов при помощи комплексов І – ІV в соответствии с возрастанием редокспотенциалов от – 0,32В у НАД+/НАДН до +0,82 у системы О2/Н2О. Именно разность потенциалов и является движущей силой перемещения электронов, от самого сильного восстановителя к самому сильному окислителю вдоль внутренней митохондриальной мембраны.

Протоны перенесенные в межмембранное пространство создают протонный градиент подкисляя его 1,4 рН. Кроме того, появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный на внешней стороне. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+-движущая сила для синтеза АТФ.

Механизм разобщения дыхания и фосфорилирования.
Протонированная форма 2,4 – динитрофенола переносит протоны через внутреннюю мембрану митохондрий и препятствует образования протонного градиента.

Активные формы кислорода и антиоксидантные системы.
Проблема свободных радикалов в последнее десятилетие произвела настоящую революцию в понимании многих процессов, происходящем в организме человека.
Сегодня свободные радикалы рассматриваются в качестве источника многочисленных нарушений, приводящих к возникновению целого ряда болезней.
В основе образования этих агрессивных радикалов, которые окрестили «молекулярными акулами», обладающими неутолимым аппетитом в результате потери одного электрона, как ни удивительно, лежит один из самых значительных элементов для жизни человека – кислород.

В эритроцитах окисление иона железа гемоглобина способствует образованию супероксидоного аниона. Hb (Fe2+) + O2 →MtHb (Fe+3) + O•2
Многие окисляемые субстраты (зачастую лекарственные препараты окисляются оксидазами
Присутствие иона железа в клетках способствует образованию из пероксида водорода очень токсичного гидроксил-радикала.

Примеры свободных радикалов.

2. ионы – гипохлорит -ион ClO4 – сопряженное основание для хлорноватистой кислоты, активный компонент отбеливателей.
3. соединения которыеявляются одновременно и ионом и свободным радикалом – супероксид анион O2-
4. молекулы –пероксид водорода.
Защита
1. Ферментативная защита-супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза.
2.Перехватчики свободных радикалов

Образование токсичных форм при постепенном восстановлении кислорода.

Свободно-радикальное окисление нарушает структуру нуклеиновых кислот, белков и, особенно, непредельные жирные кислоты (липиды), принимающие электрон от супероксидного иона кислорода
Развитие цепи:

Обрыв цепи:
Витамин Е (α-токоферол) – наиболее распространенный антиоксидант в природе – является липофильной молекулой, способной инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и таким образом предотвращать развитие цепи перекисного окисления.

В эритроцитах:

Трипептид глутатион (γ-глутамилцистеинилглицин)

Кроме витамина Е антиоксидантами являются: витамин С, β−каротин.
Во-первых, витамин С восстанавливает окисленную форму витамина Е. Во-вторых, инактивирует О•2, Н2О2 и ОН•.
β−Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием. Диета, обогащенная витаминами Е, С, каротиноидами, существенно уменьшает риск развития атеросклероза и заболеваний ССС, подавляет развитие катаракты – помутнения хрусталика глаза, обладает антиканцерогенным действием.