Биологическое окисление и образование АТФ

Биологическое окисление или тканевое дыхание – окисление органических соединений, сопровождающееся потреблением О2 для образования АТФ с выделением СО2 и воды.

Общая схема тканевого дыхания
и АТФ

Синтез АТФ происходит в реакциях фосфорилирования, но самостоятельно протекать не может, а только с использованием свободной энергии (полезной энергии)
АДФ + ФН → АТФ (∆G> -30,5 кДж/моль)
Макроэргическое соединение – соединение, стандартная свободная энергия гидролиза которого равна -30,5 кДж/моль или более «-»

Типы образования АТФ

Субстратное фосфорилирование

Строение дыхательной цепи
Дыхательная цепь - это каскад окислительно-восстановительных ферментов, расположенных во внутренней мембране митохондрий, участвующих в переносе ℮ от восстановленных коферментов на О2 (℮- транспортная цепь).
Все компоненты ДЦ расположены в соответствии со своим окислительно-восстановительным потенциалом (это способность принимать и отдавать ℮).
Первым компонентом является НАДН и он принимает ℮ и Н+ от субстратов с помощью НАД-зав. ДГ и выполняет коллекторную функцию.

ФП1 – флавопротеин 1− НАДН-дегидрогеназа принимает 2℮ , 2Н+; флавинзависимая ДГ имеет простетическую группу ФМН и железосерный комплекс, в которых Fe связано с атомом серы через SH-группы цистеина (негемовое Fe).
Следующий переносчик ℮ – убихинон или Q10 жирорастворимый хинон содержащий 10 остатков изопрена (синтезируется в организме, но с возрастом его синтез снижается). Убихинон выполняет коллекторную функцию и принимает ℮ и Н+ от ФАД – зависимых ДГ и превращается в востановленную форму - убихинол
Убихинол передает ℮ на систему цитохромов, а 2Н+ протона перекачивает из матрикса митохондрий (перенос каждой пары ℮ 2℮ сопровождается выкачиванием 4Н+).

Цитохромы – сложные белки, содержащие простетическую группу гем, которая принимает и отдает ℮ (гемовое Fe2+). Fe3+гем → Fe2+гем
Последний цитохром аа3 наз. Цитохромоксидаза, передает ℮ на О2.
Цит. аа3 содержит 2 молекулы гема и 2 атома Cu+.
℮ ℮
Fe3+гем → Fe2+гем Cu2+ → Cu+
Все ферменты ДЦ расположены в соответствии со своим ок-восс. потенциалом – (т.е. способностью принимать и отдавать ℮). Электроны движутся от электро «-» потенциала к О2 (электро «+» потенциалом).

На участках перепада ок.-в. потенциала при движении ℮ выделяется полезная свободная энергия, которая на 55% рассеивается в виде тепла, а 45% используется на синтез АТФ. Эти участки ДЦ называются участками сопряжения окисления и фосфорлирования и тип образования АТФ называется окислительным фосфорилированием.
Энергетический выход
В полной цепи при окислении НАДН − 3 АТФ
В короткой цепи при окислении ФАД2Н – 2 АТФ

Строение АТФ-синтазы

Хемиосмотическая теория Митчелла Сопряжение окисления и фосфорилирования
(Нобелевская премия в 1978 г.)
•Мембрана мх должна быть интактной, целостной.
Мембрана мх д.б. непроницаемой для Н+ и катионов.
На мембране образуется электрохимический потенциал, необходимый для работы АТФ-синтетазы
В процессе синтеза АТФ имеет место сопряжение окисления и фосфорилирования.

2е
2е

Перенос 2℮ по ДЦ на О2 сопровождается выкачиванием 2Н+ протонов из матрикса в межмембранное пространство, возникает трансмембранный потенциал - это разность заряда и рН среды (ΔμН+). Протоны проходят через АТФ − синтазу (протонный канал) и одновременно с образованием АТФ образуется вода 1/2О2+2Н+ → Н2О.
АТФ − синтаза использует полезную энергию и катализирует реакцию фосфорилирования
АДФ +Фн → АТФ. Это осуществляется путем сопряжения окисления и фосфорилирования. Если мембрана повреждена Н+ проходят в матрикс мх, минуя АТФ-синтазу , Δ μН+ потенциал падает АТФ не образуется эффект называется разобщением окисления и фосфорилирования

Разобщители – вещества липофильной природы снижают Δ μН+ потенциал, ↓ синтез АТФ, а процессы окисления НАДН и перенос ℮ продолжается .
2,4-динитрофенол переносит Н+ из межмембранного пространства в матрикс мх минуя АТФ-синтазу. АТФ не синтезируется, а энергия выделяется в виде тепла.
Действие разобщителей

Разобщители дыхательной цепи
Ионофоры переносят катионы, снижают Δ μН+ и синтез АТФ.
Дикумарол (Са2+), грамицидин (Са2+), валиномицин (К+), нигерицин (К+)
Активные формы кислорода нарушают проницаемость мембраны и вызывают эффект разобщения.
℮ ℮
1/2 О2 → О2•− → Н2О2

Разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования

Факторы, повышающие эффективность работы ДЦ
Глицерофосфолипиды как структурный компонент клеточной мембраны мх.
КоQ и препараты убихинола
Антиоксиданты витамины Е, С, А и др.

Ингибиторы дыхательной цепи
Ингибиторы действуют на точки сопряжения окисления и фосфорилирования
● ФМН – [ Fe-S ] — барбитураты (амитал), ротенон (токсичное в-во некоторых водорослей), ацетальдегид (метаболизм алкоголя)
Блокируют перенос ℮ на О2 и синтез АТФ. В данной ситуации возможно запустить короткую дыхательную цепь с использованием сукцината.
● цит b → цит с1 — антибиотик антимицин А
Наиболее опасное действие ингибиторов
●цит аа3 — CN- , СО, Н2S блокируется перенос ℮ на О2, снижается выработка АТФ, возникает гипоксия вплоть до летального исхода.