Lektsia_3_Energeticheskiy_obmen_2022_lech

План лекции:
Общие закономерности метаболизма.
Этапы катаболизма.
Цепь переноса электронов (ЦПЭ), состав, строение компонентов дыхательной цепи.
Механизм синтеза АТФ.
Ингибиторы ЦПЭ.
Разобщение процессов дыхания и фосфорилирования.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
«ОБМЕН ВЕЩЕСТВ или метаболизм - совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий».
«Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия».

Промежуточный обмен
(внутриклеточный метаболизм)
включает два типа реакций:
Катаболизм – биосинтетические процессы расщепления органических молекул до конечных продуктов с образованием свободной энергии (экзэргонические реакции).
В процессе катаболизма происходит упрощение структуры высокомолекулярных веществ.

Промежуточный обмен
(внутриклеточный метаболизм)
включает два типа реакций:
Анаболизм - биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма, с затратой свободной энергии живой системы.
Энергия, выделившаяся в процессе катаболизма, используется для синтеза новых веществ, т.е. в процессе анаболизма (эндэргонические реакции).

Процессы окисления протекают в организме и вне организма. Эти процессы имеют сходства и различия.
Биологическое окисление -
способ извлечения энергии химических связей (окислительно-восстановительные реакции под влиянием ферментов)

Сходство между окислением в организме и вне организма.
В результате окисления образуются одинаковые конечные продукты СО2 и Н2О.
Выделяется одинаковое количество энергии.

Различия между окислением в организме и вне организма.
Вне организма энергия выделяется за счет окисления атомов углерода, а в организме за счет окисления атомов водорода.
Вне организма кислород соединяется с окисляемым субстратом. В организме кислород не соединяется с субстратом.

Различия между окислением в организме и вне организма.
Вне организма энергия выделяется одномоментно и не аккумулируется, т.е. не запасается. В организме энергия выделяется порциями, «каскадно» и аккумулируется (запасается). «Каскадное» выделение энергии предохраняет клетку от перегрева.

Различия между окислением в организме и вне организма.
Основной реакцией окисления в организме является реакция дегидрирования, т.е. отщепление водорода (протонов). Вспомогательными реакциями являются реакции дегидратации и декарбоксилирования.
Процесс окисления в организме многоступенчатый, ферментативный процесс.

Утилизация энергии в виде макроэргических связей
При разрыве макроэргической связи образуется более 30 кДж/моль свободной энергии (выполнение биологической работы);
Для синтеза макроэргической связи надо столько же энергии;
Свободную энергию используют ферменты в реакциях химического сопряжения (экзо- и эндоэргические реакции)
Глю + Фн → глю-6ф + Н2О + 13,8 кДж/моль
(самопроизвольно не протекает)
АТФ + Н2О → АДФ + Фн – 30,5 кДж/моль
Глю + АТФ → (гексокиназа) → глю-6ф + АДФ – 16,7 кДж/моль

Центральную роль в энергетическом обмене играет АТФ
Фосфорилирование АДФ в клетках происходит путем присоединения неорганического фосфата Н3РО4. Реакция идет с затратой энергии.

Аденозинтрифосфорная кислота АТФ
АТФ функционирует как общий промежуточный продукт, переносящий энергию от реакций, сопровождающихся выделением свободной энергии, с теми, в которых потребляется энергия.
За сутки в организме образуется и распадается около 60 кг АТФ. Однако в клетке АТФ не накапливается, а расходуется в течении 1 минуты, после образования, что требует ее непрерывно пополнения (АТФ – АДФ цикл).

Типы фосфорилирования АДФ
В зависимости от источника энергии, обеспечивающего присоединение фосфатного участка, выделяют два типа фосфорилирования АДФ:
субстратное
окислительное

Субстратное фосфорилирование -
это процесс синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, выделившийся при разрыве макроэргической связи высокоэнергетического соединения, вне зависимости от наличия О2.
Процесс протекает как в матриксе митохондрий, так и в цитоплазме клеток.
При субстратном фосфорилировании синтезируется только 1 АТФ

Окислительное фосфорилирование АДФ - синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет переноса электронов по ЦПЭ в присутствии кислорода
Превращение АДФ в АТФ происходит с использованием энергии переноса электронов от органических веществ к кислороду.
Энергию для окислительного фосфорилирования поставляют окислительно-восстановительные реакции.
Процесс протекает в матриксе митохондрий, и только в присутствии кислорода (аэробные условия).

Типы биологического окисления
анаэробное окисление (акцептором Н+ и ē служит не О2, а другой субстрат «субстратное окисление»)
аэробное окисление
(акцептором Н+ и ē является О2 и образуется Н2О – называют «тканевое дыхание»)
2 ℮
2 Н+
S1
H
H
+
S2
S1
S2
+
H
H
2 Н+
S
H
H
+
½ O2
S
+
H2O
2 ℮

Тканевое дыхание
Тканевым дыханием являются реакции окисления органических веществ, в которых используется кислород и образуется вода и СО2.
Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород.
В процессе тканевого дыхания участвуют ферменты – оксидоредуктазы, образующие ЦПЭ.

Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
ЦПЭ – это комплекс оксидоредуктаз, локализованных на внутренней мембране митохондрий, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду.
Универсальным донором водорода в ЦПЭ является восстановленный субстрат.
Универсальным акцептором электронов и протонов в ЦПЭ является кислород.

Первичные акцепторы водорода
Никотинамидзависимые дегидрогеназы (NAD, NADР)
(находятся в матриксе митохондрий или в цитозоле)
NAD (NADР) непрочно связан с ферментом: в восстановленной форме он отделяется от апофермента и служит донором водорода для другого фермента
Обратимость многих дегидрогеназных реакций;
Возможность участия в таких реакциях множества субстратов;
Благодаря этим свойствам NAD-зависимые дегидрогеназы - связывающее звено между катаболизмом и анаболизмом.
SH2 + E (NAD), (NADР) → S + E (NADH+H+), ( NADРH+H+)

Первичные акцепторы водорода
Флавинзависимые
дегидрогеназы (FAD, FMN)
В отличие от NAD FAD соединен прочно с белковой частью (простетическая группа), поэтому реакции не являются легкообратимыми, что не позволяет флавопротеидам участвовать в реакциях восстановления.
SH2 + E (FAD) → S + E (FADH2)
Большинство FAD – зависимых дегидрогеназ – растворимые белки, находящиеся в матриксе митохондрий. Исключение сукцинатдегидрогеназа (СДГ), находящаяся во внутренней мембране митохондрий.

Состав ЦПЭ
NADH – дегидрогеназа (комплекс I)
Сукцинатдегидрогеназа – (FAD - кофермент) (комплекс II)
QH2 – дегидрогеназа (комплекс III)
цитохромоксидаза (комплекс IV)
низкомолекулярные переносчики (кофермент Q и цитохром с)

NADH – дегидрогеназа (комплекс I)
Комплекс I ЦПЭ содержит ФМН и 5 железосерных белков.
NADН-дегидрогеназа (комплекс I) – несколько полипептидных цепей, роль простетической группы выполняет FMN. Донором водорода является NADH∙H+
NADH∙H+ + E (FMN) → NAD+ + E (FMNH2)
Затем электроны переносятся на 5 железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в NAD-дегидрогеназы.

Сукцинатдегидрогеназа –
(FAD - кофермент) (комплекс II)
Сукцинатдегидрогеназа - СДГ (FAD – зависимая дегидрогеназа) (комплекс II)
SH2 + СДГ (FAD) → S + СДГ (FADH2)
СДГ находится во внутренней мембране митохондрий, передает электроны, минуя I комплекс ЦПЭ, сразу на коэнзим Q (низкомолекулярный переносчик электронов)

Бензохиноновое соединение локализуется во внутренней мембране митохондрий и собирает электроны с комплекса I и со всех FAD-зависимых ферментов, в т.ч. с СДГ (комплекс II) и передает их на III комплекс .
Убихинон выполняет коллекторную функцию в ЦПЭ.
Обладает небольшой ММ, растворим в липидной части внутренней мембраны митохондрий, это позволяет ему быть подвижным переносчиком между комплексом I, FAD-зависимыми ферментами и цитохромами.
Низкомолекулярные переносчики электронов
Убихинон (коэнзим Q10).
Q + E (FMNH2) (FADH2) → QH2 + E (FMN) (FAD)

QH2 (коэнзим Q –дегидрогеназа)
(комплекс III)
Состоит из 2-типов цитохромов (b и с1) и железосерного белка (FeS).
Fe3+ + e- → Fe2+
Внутри комплекса III электроны передаются от цитохрома b на FeS, затем на цитохром с1.
В конечном итоге с QH2 электроны передаются на цитохром с (низкомолекулярный переносчик электронов).
QH2 + 2c (Fe3+ ) → Q+2c (Fe2+ ) + 2H+

Низкомолекулярные переносчики электронов
Цитохром с
водорастворимый мембранный белок;
ММ 12,5 кД, одна полипептидная цепь из 100 аминокислотных остатков, соединенных с гемом ковалентно;
передает электроны с комплекса III на комплекс IV цепи переноса электронов (ЦПЭ).

Цитохром-c-оксидаза (цит а/а3)
(комплекс IV)
Комплекс IV ЦПЭ содержит цитохромы а, а3, два иона меди.
Это сложный гемопротеид, несколько белковых частей, 2 химически различных гема, длинная боковая углеводородная цепочка, 2 атома Cu2+.
Уникальность в том, что а3 взаимо-действует с О2, при этом участвует 2 атома меди с изменением их валентности (Cu+ → Cu2+).

АТФ-синтаза (комплекс V)
Возвращение Н+ из межмембранного пространства в матрикс происходит с помощью фермента АТФ-синтаза (комплекс V), имеющего протонный канал F0. Протоны межмембранного пространства присоединяются к ферменту, изменяя его заряд и конформацию. Раскрытие протонного канала приводит к переносу Н+ в матрикс по градиенту концентрации и активации поверхности части фермента F1, катализирующей реакцию образования АТФ.

(II)
Пути поступления электронов и протонов в ЦПЭ от первичных доноров

Распределение энергии, выделяемой ЦПЭ
~ 20%
~ 40-50 %
~ 30%

+ 0,8
При движении от окисляемого субстрата к кислороду электроны теряют часть своей потенциальной энергии. Эту энергию ферменты ЦПЭ используют для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство против градиента концентрации, т.е. комплексы ЦПЭ работают как протонный насос, перекачивая Н+.

+ 0,8
В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.
1. НАД/ФАД
2. цитохром b / цитохром с
3. цитохром а/а3 О2
1
2
3

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.
При окисления НАД – зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3 АТФ,
При окислении ФАД – зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 2 АТФ,
При окислении цитохромзависимых субстратов, количество АТФ, зависит от того, на какой цитохром сбрасываются электроны: при сбросе электронов на цитохром b выделяется 2 АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, а на цитохром с – 1 АТФ.

Коэффициент окислительного фосфорилирование Р/О показывает, какое количество неорганического фосфата затрачивается для фосфорилирования АДФ при использовании 1 атома кислорода на образование 1 молекулы воды.
Дыхательный контроль – зависимость интенсивности поглощения кислорода от концентрации АДФ.

Коэффициент окислительного фосфорилирования
НАД-Н+ + ½О2 →НАД+ + Н2О
3 АДФ + 3 Н3РО4→ 3 АТФ + Н2О
ФАДН2 + ½ О2 →ФАД + Н2О
2 АДФ + Н3РО4→2 АТФ + 2Н2О
Витамин С восстанавливает Fe3+ в геме цитохромов а-а3 Р\О=1
Р/О = 3
Р/О = 2

Причины нарушения биологического окисления
Недостаток субстрата (голодание, пищева-рение, межуточное нарушение обменов белков, углеводов, липидов);
Недостаток О2 (при заболеваниях: сердечно-сосудистых, крови, легких);
Недостаточная активность ферментов дыхательной цепи (генетические дефекты апоферментов, синтеза кофакторов, недостаток железа, гиповитаминоз);
Ингибиторы дыхания.

Вещества, понижающие интенсивность окислительного фосфолирирования АДФ.
Ингибиторы ферментов ЦПЭ подавляют активность ферментных комплексов I, II и IV. Скорость восстановления коферментов NAD+ и FAD при этом снижается, что уменьшает скорость окислительных процессов, потребление кислорода и коэффициент Р/О:

Примеры веществ, понижающие интенсивность окислительного фосфолирирования АДФ.
ингибиторы NADH-дегидрогиназы - лекарственные препараты со снотворным действием – барбитураты (веронал, гексенал, нембутал, амитал); ротенон
ингибиторы QH2-дегидрогиназы – антимицин А
ингибиторы цитохром-с-оксидазы – цианиды (СN-), угарный газ (СО), сероводород (Н2S).

Вещество, способное полностью блокировать тканевое дыхание, синильная кислота
Синильная кислота является веществом, вызывающим кислородное голодание тканевого типа. При этом наблюдается высокое содержание кислорода как в артериальной, так и в венозной крови и уменьшение таким образом артерио-венозной разницы, резкое понижение потребления кислорода тканями с уменьшением образования в них углекислоты. Синильная кислота и её соли, растворенные в крови, достигают тканей, где вступают во взаимодействие с трехвалентной формой железа цитохромоксидазы.

Вещество, способное полностью блокировать тканевое дыхание, синильная кислота
Соединившись с цианидом, цитохромоксидаза теряет способность переносить электроны на молекулярный кислород. Вследствие выхода из строя конечного звена окисления блокируется вся дыхательная цепь и развивается тканевая гипоксия. Кислород доставляется к тканям в достаточном количестве с артериальной кровью, но ими не усваивается и переходит в неизмененном виде в венозное русло. Одновременно нарушаются процессы образования макроэргов, необходимых для нормальной деятельности различных органов и систем. Активизируется гликолиз, то есть обмен с аэробного перестраивается на анаэробный. Также подавляется активность и других ферментов — каталазы, пероксидазы, лактатдегидрогеназы.

Вещества, понижающие интенсивность окислительного фосфолирирования АДФ.
Ингибиторы АТФ-синтазы снижают активность фермента, скорость фосфорилирования АДФ и коэффициент Р/О
олигомицин,
рутамицин.