В специализирани митохондриални мембрани протичат биоенергийни процеси, водещи до синтеза на АТФ, до зареждането на „биологичните акумулатори“. Именно тук са локализирани и пространствено организирани молекулярните системи, отговорни за енергията на живите организми. Синтезът на АТФ в митохондриите е свързан с транспорта на електрони и йони и с механохимични явления. Функциите на митохондриалните мембрани са много сложни и разнообразни. Друг тип биоенергийни конюгиращи мембрани - растителни хлоропластни мембрани, отговорни за фотосинтезата - се обсъжда в Глава 7.

Източникът на енергия, консумирана от клетката за биосинтеза, активен транспорт, механична и електрическа работа, е дишането, т.е. окисляването на органични съединения с атмосферен кислород. През 1780 г. Лавоазие показа, че дишането и горенето са от една и съща природа. През следващите почти два века изследванията на химици, биолози и физици доведоха до разкриването на основните характеристики на биологичното окисление - един от най-важните процеси (или по-скоро система от процеси), протичащи в живата природа.

Горивото, т.е. окисляващите се вещества, влиза в тялото на животното с храната под формата на мазнини, въглехидрати и протеини. Мазнините са триглицериди на мастни киселини, главно полихидридни киселини. Те се разделят, т.е. хидролизират се в реакции, катализирани от специални ензими. Мастните киселини се активират с участието на специфични ензими и АТФ, превръщайки се в ацилни производни на така наречения коензим А, Co A - SH, чиято структура е показана на фиг. 6.1. Окислението на ацилното производно на Co A - SH протича в няколко етапа, всеки от които образува остатък от мастна киселина, съдържащ два въглеродни атома по-малко от предишния. Пълното уравнение за окисление на мастна киселина с четен брой въглеродни атоми до ацетил-S - Co A има формата

H3C (CH2CH2) "C02H + ATP + (n + 1) CoA - SH + lNAD + +

PE ■ FAD + lH20 ->- (n + 1)CH3COS - CoA +

+ (£5f + £ph) + "NAD-H + ​​​​pE - FAD-H +

Тук NAD е коензимът никотинамид аденин динуклеотид (фиг.

6.2), E - ензим, FAD - коензим флавин аденин динуклеотид

Ориз. 6.1. Коензим А.

TOC \ o "1-3" \ h \ z (фиг. 6.3), ADP и AMP - аденозин дифосфат и аденозин моно - фосфат, Fn, FFN - неорганични моно - и дифосфати. Нека обърнем внимание на общото и

Структури на ATP, CoA-SH, NAD и HB

FAD (виж, гл. 2). При унищожаване - /\ / \

Nii мазнини в крайна сметка obra - n | 9NH2

Ацетил-КоА се нарича, както и про - n ^

ПИОНИЛ-КО А И ГЛИЦЕРИН. - g_p_Q_QH

Разцепване и окисляване на въглерод - і | |

Води (по-специално нишесте) при - \ C ^ n n ^ C води до образуването на триозен фосфат - і |> c "isg I NH

Тов и пирогроздена киселина I n L L n I 2

(пируват). n°-rG° 0N 0N „ /ч

С разрушаването на протеините, заедно с / C N

С индивидуална аминокиселина - \ NSch J I

Mi се използва в синтеза на протеини - CH2 0 \

Kov de novo се образува ацетил-N

Co A, оксалацетат, a-кетоглутарат, INc^c/I

Фумарат и сукцинат. Тези процеси не са

Метаболизмът е изследван подробно в ОН

Съвременна биохимия (виж). Ориз. с-2-никотинамид аденин-

Основните продукти на разцепване са динуклеотид (NAD),

Ния и окисление на мазнини, въглехидрати

И протеините претърпяват допълнителни трансформации в циклична система от реакции, наречена цикъл на лимонената киселина или цикъл на Кребс. Тази система е локализирана в митохондриите. Цикълът на Кребс, „образно казано, тази основна ос, около която се върти метаболизмът на почти всички съществуващи клетки ... Цикълът

Кребс е "фокусната точка", в която се събират всички метаболитни пътища.

Цикълът на Кребс е показан на фиг. 6.4. За едно завъртане на цикъла, състоящ се от осем реакции, отбелязани на фигурата с цифри в кръгове, се разгражда една молекула ацетил-КоА.

H2c-CH-CH-CH-CH,-O-P-O-P-O-CH, n-^CH

A/\A/NH хе хе

H, C V N C s H II

Ориз. 6.3. Flavia adenine dinucleotide (FAD).

Или една молекула пируват до CO2 и H20, т.е. "изгаряне" на тези молекули. Съответните общи реакции имат формата

CH, COS - CoA + Z NAC+ + (FAD) + HDF + Phn + 2 H20 -

2 CO2 + CoA - SH + Z NAD-H + ​​​​(FAD-H) + GTP + ZH +, пируват "+ CoA - SH + NAD + - * CH3COS - CoA + NAD-H + ​​​​+ H + + CO2.

(Скобите показват, че FAD е тясно свързан с протеина.)

От цикъла на Кребс идват пътищата на много биосинтетични реакции - пътищата за синтез на въглехидрати, липиди, пурини, пиримидии и порфирини. Синтезът на протеини също е свързан с цикъл, в който се създават прекурсорите на редица аминокиселини. В същото време, както ще видим, биологичното окисление е източник на енергия, съхранявана в АТФ и необходима за биосинтетичните процеси.

В реакциите на цикъла се появяват CO2 и H+ йони. В същото време коензимите NAD и FAD се възстановяват. За непрекъснато и пълно биологично окисление тези коферми трябва да бъдат окислени отново. Окисляването се извършва от комбинация от електронни носители, които образуват електронна транспортна верига (ECC), фиксирана в митохондриите. CPE осигурява следните реакции:

Z NAD-H + ​​​​1,5 02 + ZN+ Z NAD + + 3 H20 - 3 52,4 kcal / mol,

(FAD-H) + 0,5 O, - (FAD) + H2O - 36,2 kcal / mol.

Реакцията на ацетил-КоА има формата

CH3COS - CoA + 2 02 -> 2 CO2 + H20 + CoA - SH - 215,2 kcal / mol.

CPE, известна още като дихателната верига, е

Въглехидрати-*- CH-CDC07 p

Пируват в мазнините

U v4 * - "Ацетил-CoC CO2 2H ■

^ c \u003d o (T) r "

Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Фиг. 6.4. Цикъл на Кребс.

Tre-"bA.-изоцитрати

А-кетоглутарап

NO-CH С02 fiOj (2)

"CH2 оксалацетатен цитрат

FQ) l-tlat \ Vz

Полиензимна система, която приема електрони от цикъла на Кребс и цикъла на окисление на мастни киселини.

Електронът се прехвърля по следната верига: сукцинат - FP3 1

Субстрат -*■ НАД -»- FP0 ->■ Цитохром b ->- -*■ Цитохром С) -» Цитохром с -»- Цитохроми a + az -*■ 02.

Флавопротеините са специфични ензими, съдържащи флавинови коензими-FAD (виж Фиг. 6.3) и флавинов мононуклеотид - FMN, рибофлавин-5 "-фосфат. Цитохромите съдържат хем група, чийто железен атом претърпява окисление и редукция по време на работа на веригата:

Fe2+ ​​​​Fe3+ - f e~.

Прехвърлянето на електрони в горната верига се извършва отляво надясно, завършвайки с редукция на кислород, който се комбинира с водород, за да образува вода. Електронът, освободен по време на окислението, се свързва със следващата връзка във веригата. Преносът на електрони е придружен от промяна в свободната енергия, тъй като електроните се движат през каскада от нарастващи редокс потенциали. Техните стойности са дадени в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Редокс потенциал на някои системи

Преносът на електрони по дихателната верига е свързан със съхранението на енергия в макроергичните АТФ молекули. С други думи, освободената свободна енергия се превръща в химическата енергия на АТФ. Настъпва окислително фосфорилиране.

Този най-важен феномен е открит за първи път от Енгелхард през 1930 г. Белицер и Цибакова изследват подробно стехиометричните връзки между окислението и фосфорилирането, извършват първите определяния на коефициента Fn O. т.е. съотношението на броя на молекулите на естерифицираните неорганични
фосфат към броя на атомите на абсорбирания кислород и показа, че стойността на този коефициент е не по-малка от 2. В работата бяха дадени термодинамични оценки, които показаха, че енергията на преноса на електрони към кислорода е достатъчна за образуване на два или повече ATP молекули на атом абсорбиран кислород. Калкар установи, че аеробното фосфорилиране е свързано с дишането и не зависи от гликолитичното фосфорилиране. Количествените съотношения са прецизирани от Очоа. Коефициентът Fn:O за окислителните реакции от цикъла на Кребс и реакциите с участието на NAD е 3. Lehninger пръв установява, че процесите на окислително фосфорилиране са локализирани точно в митохондриите.

Директните стрелки показват входните точки за електрони. FP,. FP, ...-флавопротеини.

KoQ - коензим Q.

10], а в трудовете на неговата лаборатория са открити възловите точки на дихателната верига, в които протича фосфорилирането. Посочената стойност Fn: O следва от уравнението

NAD-H + ​​​​H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Това уравнение обобщава екзергоничната реакция NAD-H + ​​​​H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol

И ендергонична реакция

3 ADP + 3 Fn ->■ Z ATP + 3 H20 - 21,9 kcal / mol.

Фосфорилирането на ADP -\u003e ATP се извършва в три ключови точки - в участъка на веригата NAD-H - флавопротеин, в участъка на цитохром b на цитохром cі и в участъка на цитохром c - * цитохром a + a3.

Общата схема на конюгиране на окисление с фосфорилиране е показана на фиг. 6.5.

Нека напишем отново общото уравнение на фосфорилирането

ПируВат^ Сущинагп

ADP + H2P04 "- f H+ +=± ATP + HgO - TO,

Където AG е промяната в свободната енергия. Ние имаме

TOC \o "1-3" \h \z [adf] Hn, rho:1 [n+] , >4

AG = AG" + RT IP. (6.1)

AG0 - стандартна промяна на свободната енергия в калории, т.е. стойността на AG при pH 7,0, 25 ° C и концентрации на всички компоненти, равни на 1,0 M. Както е известно,

AG0 = - RT In K, (6.2)

където К е равновесната константа на реакцията. За фосфорилиране AG0 = 7,3 kcal/mol. Наблюдаваната стойност на AG in vivo зависи от концентрацията на протони от двете страни на мембраната и следователно от потенциалната разлика на мембраната. AG също зависи от концентрацията на Mg++ йони. Когато pH се промени от 6,0 на 9,0 при = 10 mM, AG се променя от 6,17 на 9,29 kcal/mol (виж).

Промяната в свободната енергия по време на преноса на два електронни еквивалента по CPE от NAD-H към 02 се определя от разликата в редокс потенциалите 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, т.е.

AG0 \u003d z D-ph \u003d - 2 23,06 -1,14 kcal / mol \u003d - 52,7 kcal / mol.

Това осигурява излишен синтез на 3 мола АТФ от ADP и Fn. Ефективността на процеса се изразява като 21,9/52,7, т.е. приблизително равна на 40%.

Енергийният смисъл на дишането е синтезът на АТФ. Енергията, съхранявана в АТФ, се използва от клетката за извършване на всички видове нейна работа.

Откриването на химията на биологичното окисление е най-голямото постижение на биохимията. Тук е представена само част от най-важната информация; подробно разглеждане на сложната биохимична система на окисление се съдържа в специалната литература (виж).

Характеристика на системата за окислително фосфорилиране, която я отличава от редица ензимни реакции, протичащи в разтвор, е строгата пространствена локализация на връзките на многоетапния процес. Окислителното фосфорилиране е локализирано в митохондриите и е пряко свързано с транспортната и механохимичната функционалност на техните мембрани. Очевидно такава сложна система от биохимични реакции фундаментално изисква пространствена хетерогенност и не може да се реализира в хомогенна среда.

Дешифрирането на редокс реакциите, описани накратко тук, е получено чрез прилагане на фини химични и физични методи. Тук по-специално
Работата на Chais, посветена на спектроскопията на електронни носители (NAD, FP, цитохроми) в непокътнати митохондрии, изигра важна роля. Тези носители имат характерни ивици на поглъщане във видимата и близката ултравиолетова област на спектъра, а разликите в спектрите позволяват да се изследва кинетиката на тяхното окисление и редукция. Използвани са различни методи за отстраняване на специфични n ензими от митохондриите. като по този начин се запазват само определени връзки

Ориз. 6.6. Разпределение на протеини по CPE комплекси I, II, III, IV.

Коремни мускули. Cі, dі-\u003e ntochromes, Cu - съдържащи мед протеини, (Fe -be) - нехем желязо, fs - сукцинат дехидрогеназа, iq-NAD H-дехидрогеназа.

Процес. Митохондриите бяха дисектирани и комплекси от респираторни ензими, свободни от структурни протеини, бяха изолирани от субмитохондриални частици. Такива комплекси се оказаха възможни за пречистване и подробно изследване. Проведени са успешни експерименти за възстановяване на CPE от изолирани препарати и разтворими ензими. И накрая, много ценна информация беше получена в експерименти за инхибиране на отделни етапи от процеса и за разединяване на окислителното фосфорилиране и преноса на електрони (виж § 6.5).

Може да се счита за установено, че CPE носителите са групирани в четири комплекса, наречени комплекси на Грийн (виж). Съответната схема е показана на фиг. 6.6. Молекулното тегло на всеки комплекс е около 3-105 Съдържа около 64% ​​протеин и 36% липиди. Електрононосещи
комплекс се определя като най-малката CPE единица, която запазва способността да прехвърля електрон със скорост, сравнима с тази в непокътнати митохондрии.

Изследването на биологичното окисление отговаря на необходимостта от решаване на редица физически проблеми, свързани с различни нива на организация и функциониране на системата.

Структурата и функциите на молекулните носители на електрони все още са недостатъчно проучени. В § 6.7 се разглеждат съвременни данни, свързани със структурата и свойствата на цитохром c. Цитохром c е изследван много подробно, но неговите динамични свойства не могат да се считат за напълно установени и обяснени.

Структурата и функционалната организация на митохондриите са обект на интензивно изследване. Въпреки това мнозина критични въпроси, свързани тук, все още нямат отговор. Специфичната мембранна структура на мигохондриите, наличието в тях на автономна програма за протеинов синтез (ДНК) и механохимичната активност на митохондриите са пряко свързани с ролята им на „електростанции“ на клетката. По-нататъшното развитие на митохондриалната физика изисква холистичен подход.

Общата теория на електронния транспорт в локализирана система на биологично окисление се развива интензивно. Предложени са смислени кинетични модели, започнати са теоретични изследвания, основани на разглеждане на електронно-конформационни взаимодействия. Тези проблеми са от първостепенен интерес за биофизиката.

Необходимо е да се установи молекулярната природа на биологичното окисление, което се извършва в резултат на конюгация на ензимни, транспортни и механохимични процеси. Митохондриите са място за интегриране на широк спектър от молекулярно-биологични явления, интегрална система, която изисква цялостно изследване - теоретично и експериментално разглобяване и сглобяване на "черната кутия".

УРАЛСКА ДЪРЖАВНА МЕДИЦИНСКА АКАДЕМИЯ

Катедра по биоорганична и биологична химия

КУРСОВА РАБОТА ПО ТЕМАТА:

биологично окисление.

Изпълнители:студенти

педиатрични

факултет 223 групи

Заруба Н.С., Чащина Е.Е.

Ръководител:доцент,

Доцент доктор Трубачев С.Д.

Рецензент:

Екатеринбург 2002 г.

I. Въведение…………………………………………………………………...3

II. Общи представителствавърху биологичното окисление.

Редокс системи и потенциали……..3

III. Начини за използване на кислород в клетката……………………………...5

Оксидазен път за използване на кислород. Митохондриите.

Ензими, тяхната локализация и значение в окислителните процеси…….5

IV. Етапи на използване на енергия на хранителни вещества ………………… ... 6

V. Окислително фосфорилиране…………………………………………9

Хемиосмотичната теория на Мичъл……………….………………..9

Редокс - верига на окислително фосфорилиране………………10

VI. Цикъл на Кребс……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………21

Откриване на КТК………………………………………………………..22

Реакции, ензими. Регламент…………………………………...23

VII. Макроергични съединения и връзки……………………………...29

VIII. Витамин RR. Участие в окислителни процеси…………………….30

IX. Микрозомално окисление……………………………………………31

Монооксигеназни реакции…………………………………………31

Диоксигеназни реакции…………………………………………….32

Цитохроми……………………………………………………………32

X. Пероксидазен път на използване на кислорода…………………..33

XI. Ензимна антиоксидантна защита…………………………34

Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза………………….34

XII. Неензимна антиоксидантна защита………………………35

Витамини C, E и P…………………………………………….…...35

XIII. Заключение……………………………………………………………..38

XIV. Използвана литература……………………………………………………..39

Въведение.

В химията окислението се определя като отстраняване на електрони, докато редукцията се определя като добавяне на електрони; това може да се илюстрира с примера на окисляването на феро-йон до ферийон:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Оттук следва, че окислението винаги е придружено от редукция на акцептора на електрони. Този принцип на окислително-редукционните процеси е еднакво приложим за биохимичните системи и характеризира естеството на процесите на биологично окисление.

Въпреки че някои бактерии (анаероби) живеят при липса на кислород, животът на висшите животни зависи изцяло от доставката на кислород. Кислородът се използва главно в процеса на дишане - последният може да се определи като процес на улавяне на клетъчна енергия под формата на АТФ по време на контролирано добавяне на кислород с водород за образуване на вода. В допълнение, молекулярният кислород е включен в различни субстрати с участието на ензими, наречени оксигенази. Много лекарства, чужди за тялото вещества, канцерогени (ксенобиотици) се атакуват от ензими от този клас, които заедно се наричат ​​цитохром Р 450.

Хипоксичните нарушения на клетъчния метаболизъм заемат водещо място в патогенезата на критичните състояния. Основната роля във формирането на необратимост на патологичните процеси се приписва на екстремни прояви на нарушения на клетъчния метаболизъм. Адекватното снабдяване на клетката с кислород е основното условие за поддържане на нейната жизнеспособност.

Въвеждането на кислород може да спаси живота на пациенти с нарушено дишане или кръвообращение. В някои случаи кислородната терапия се използва успешно под високо налягане; все пак трябва да се отбележи, че интензивната или продължителна кислородна терапия под високо налягане може да причини кислородна токсичност.

Когато пишехме тази работа, имахме цел: да изучим биологичното окисление и неговото значение в живота на клетката и на организма като цяло. За това сме взели предвид:

Използването на кислород от клетката;

Клетъчни енергийни източници - цикъл на лимонената киселина (цикъл на Кребс), окислително фосфорилиране;

микрозомално окисление;

Антиоксидантна защита

Общи идеи за биологичното окисление.

Редокс системи и потенциали.

Източникът на енергия, използван за извършване на всички видове работа (химическа, механична, електрическа и осмотична), е енергията на химическото свързване. Освобождаването на енергия от въглехидрати, мазнини, протеини и други органични съединения става по време на техния редокс разпад. Освободената енергия се изразходва за синтеза на АТФ.

Промяната в свободната енергия, която характеризира реакциите на окисление и редукция, е пропорционална на способността на реагентите да отдават или приемат електрони. Следователно промяната в свободната енергия на редокс процеса може да се характеризира не само със стойността на DG 0 ", но и със стойността на редокс потенциала на системата (Eo). Обикновено редокс потенциалът на системата е в сравнение с потенциала на водородния електрод, приемайки последния за нула, 0V при pH \u003d 0. Въпреки това, за биологичните системи е по-удобно да се използва редокс потенциалът при pH \u003d 7,0 (Eo "); при това pH потенциалът на водородния електрод е -0,42V.

Използвайки таблица 1, може да се предскаже в каква посока ще се движи електронният поток при конюгиране на една редокс система.

Таблица 1. Стандартни потенциали на някои редокс системи.

Начини за използване на кислород в клетката.

Има три начина за използване на кислород в клетката, които се характеризират със следните реакции:

1) оксидазен път (90% от входящия кислород се редуцира до H 2 O с участието на ензима цитохромоксидаза)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) оксигеназен път (включване в субстрата на един кислороден атом - монооксигеназен път, два кислородни атома - диоксигеназен път) - монооксигеназен път

Диоксигеназен път

3) свободнорадикален път (минава без участието на ензими и не се образува АТФ).

Оксидазен път за използване на кислород. Митохондриите. Ензими, тяхната локализация и значение в процеса на окисление.

Митохондриите с право се наричат ​​"енергийни станции" на клетката, тъй като именно в тези органели се улавя основно енергията, доставяна от окислителните процеси. Митохондриалната система на конюгиране на окислителните процеси с генерирането на високоенергийния междинен ATP се нарича окислително фосфорилиране.

Митохондриите имат външна мембрана, която е пропусклива за повечето метаболити, и селективно пропусклива вътрешна мембрана с много гънки (кристи), изпъкнали към матрицата (вътрешното пространство на митохондриите). Външната мембрана може да бъде отстранена чрез третиране с дигитонин; характеризира се с наличието на моноаминооксидаза и някои други ензими (напр. ацил-КоА синтетаза, глицерофосфат ацилтрансфераза, моноацилглицерофосфат ацилтрансфераза, фосфолипаза А2). Интермембранното пространство съдържа аденилат киназа и креатинкиназа. Фосфолипидът кардиолипин е локализиран във вътрешната мембрана.

Матрицата съдържа разтворими ензими от цикъла на лимонената киселина и ензими на b-окисление на мастни киселини; следователно има нужда от механизми за транспортиране на метаболити и нуклеотиди през вътрешната мембрана. Сукцинат дехидрогеназата е локализирана върху вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана, където пренася редуктивните еквиваленти на дихателната верига на ниво убихинон (заобикаляйки първата редокс верига). 3-хидроксибутират дехидрогеназата е локализирана от страната на матрицата на вътрешната митохондриална мембрана. Глицерол-3-фосфат дехидрогеназата се намира на външната повърхност на вътрешната мембрана, където участва във функционирането на глицерофосфатния совалков механизъм.

Етапи на енергийно използване на хранителните вещества.

Енергийното оползотворяване на хранителните вещества е сложен процес, протичащ на три етапа по следната схема:

Схема 1. Етапи на катаболизма на хранителните вещества.

На етап 1 големите полимерни молекули се разпадат на мономерни субединици: протеините на аминокиселини, полизахаридите на захари и мазнините на мастни киселини и холестерол. Този предварителен процес, наречен смилане, се извършва главно извън клетките чрез действието на ензими, секретирани в кухината. храносмилателен тракт. На етап 2 образуваните малки молекули навлизат в клетките и се подлагат на допълнително разцепване в цитоплазмата. Повечето от въглеродните и водородните атоми на захарите се превръщат в пируват, който, след като проникне в митохондриите, образува там ацетилната група на реактивното съединение на ацетил коензим А (ацетил-КоА). По време на окисляването на мастните киселини също се образува голямо количество ацетил-КоА. На етап 3 ацетилната група на ацетил-КоА се разцепва напълно до CO 2 и H 2 O. Именно в този краен етап се образува по-голямата част от АТФ. В поредица от свързани химични реакции повече от половината от енергията, която според теоретичните изчисления може да бъде извлечена от въглехидратите и мазнините, когато те се окисляват до H 2 O и CO 2, се използва за извършване на енергийно неизгодната реакция F n + ADP ® ATP. Тъй като останалата част от енергията, освободена по време на окисляването, се освобождава от клетката под формата на топлина, резултатът от образуването на АТФ е цялостно увеличаване на безпорядъка на Вселената, което е в пълно съответствие с втория закон на термодинамиката.

Чрез образуването на АТФ енергията, първоначално извлечена чрез окисление от въглехидрати и мазнини, се превръща в по-удобна концентрирана форма на химическа енергия. В разтвор, разположен във вътреклетъчното пространство на типична клетка, има приблизително 1 милиард ATP молекули, чиято хидролиза до ADP и фосфат осигурява необходимата енергия за много енергийно неблагоприятни реакции.

Най-важната стъпка в етап 2 на катаболизма е гликолизата, последователност от реакции, водещи до разграждане на глюкозата. По време на гликолизата глюкозна молекула, съдържаща 6 въглеродни атома, се превръща в 2 пируватни молекули, съдържащи 3 въглеродни атома всяка. Тази трансформация изисква 9 последователни ензимни реакции, в които се образуват редица междинни фосфат-съдържащи съединения. (Вижте фигура 1.)

Логично, последователността от реакции на гликолиза може да бъде разделена на три етапа: 1) в реакции 1-4 (виж Фигура 1), глюкозата се превръща в три-въглероден алдехид глицералдехид-3-фосфат (две фосфатни групи са необходими за тази трансформация, и необходимата енергия се освобождава по време на хидролиза ATP); 2) в реакции 5-6 алдехидната група на всяка молекула глицералдехид-3-фосфат се окислява до карбоксил и освободената в този случай енергия се изразходва за синтеза на АТФ от ADP и Fn; 3) в реакции 7-9 тези две фосфатни молекули, които са били прикрепени към захарта в първия етап, се прехвърлят обратно към ADP, в резултат на което се образува ATP и разходите за ATP се компенсират в етап 1.

Фигура 1. Междинни продукти на гликолиза.

Общият добив на енергия по време на гликолизата се свежда до синтеза на две молекули АТФ (на една молекула глюкоза), които са образувани в реакции 5 и 6. По този начин тези реакции са от решаващо значение за гликолизата. Тези две реакции са единствените в целия процес, при които се образува високоенергийна фосфатна връзка от Fn. Комбинираният резултат от тези две реакции е окисляването на захарния алдехид до фосфоглицеролова киселина, прехвърлянето на Fn към ADP за образуване на високоенергийна ATP връзка и редукция на NAD+ до NADH.

За повечето животински клетки гликолизата предхожда етап 3 от катаболизма, т.к млечната киселина, образувана по време на гликолизата, бързо навлиза в митохондриите, където се окислява до CO 2 и H 2 O. Въпреки това, в анаеробни организми и тъкани, способни да работят при анаеробни условия, гликолизата може да стане основният източник на клетъчен АТФ. В тези случаи пируватните молекули остават в цитозола и се превръщат в лактат, който след това се екскретира от клетката. По-нататъшното превръщане на пирувата в тези реакции за производство на енергия, наречено ферментация, е необходимо, за да се използва напълно редукционният потенциал, получен в реакция 5 на гликолизата, и по този начин да се регенерира NAD +, необходим за по-нататъшното осъществяване на гликолизата.

окислително фосфорилиране.

Окислителното фосфорилиране позволява на аеробните организми да уловят значителна част от потенциалната свободна енергия от окисляването на субстрата. Възможно обяснение за механизма на окислителното фосфорилиране се предлага от хемиосмотичната теория. Редица лекарства (напр. амобарбитал) и отрови (цианид, въглероден окис) инхибират окислителното фосфорилиране, обикновено с фатални последици. Окислителното фосфорилиране е толкова жизненоважен процес, че нарушаването на нормалния му ход е несъвместимо с живота. Това може да обясни защо са открити само малък брой генетични заболявания, засягащи тази система.

Въпреки че цикълът на лимонената киселина е част от аеробния метаболизъм, нито една от реакциите на този цикъл, водещи до образуването на NADH и FADH 2, не е пряко свързана с молекулярен кислород; това се случва само в последната серия от катаболни реакции, протичащи върху вътрешната мембрана. Почти цялата енергия, получена в ранните етапи на окисление от изгарянето на въглехидрати, мазнини и други хранителни вещества, първоначално се съхранява под формата на високоенергийни електрони, пренасяни от NADH и FADH. След това тези електрони взаимодействат с молекулярния кислород в дихателната верига. Тъй като голямо количество от освободената енергия се използва от ензимите на вътрешната мембрана за синтезиране на АТФ от ADP и Pn, тези последни реакции се наричат ​​окислително фосфорилиране.

Синтезът на АТФ в реакциите на окислително фосфорилиране, протичащи в дихателната верига, зависи от хемиосмотичен процес . Механизмът на този процес, предложен за първи път през 1961 г., направи възможно решаването на проблем, който отдавна е изправен пред клетъчната биология.

По-рано се смяташе, че енергията за синтеза на АТФ в дихателната верига се осигурява от същия механизъм, както при фосфорилирането на субстрата: предполагаше се, че енергията на окисление се използва за образуване на високоенергийна връзка между фосфатната група и някакво междинно съединение , и че превръщането на ADP в ATP се извършва от сметката на енергията, освободена при разкъсване на връзката. Въпреки това, въпреки интензивните търсения, предполагаемият междинен продукт не беше открит.

Според хемиосмотичната хипотеза, вместо богати на енергия междинни продукти, има пряка връзка между химични процеси („хеми ...“) и транспорт (осмотичен, от гръцки osmos - тласък, налягане) - хемиосмотично свързване.

Химиосмотичната хипотеза, предложена в началото на 60-те години, включва четири независими постулата относно функцията на митохондриите:

1. Митохондриалната дихателна верига, разположена във вътрешната мембрана, е в състояние да движи протони; когато електроните преминават през дихателната верига, Н + се "изпомпва" от матрицата.

2. Митохондриалният АТФ синтетазен комплекс също премества протоните през вътрешната мембрана. Тъй като този процес е обратим, ензимът може не само да използва енергията на хидролизата на АТФ за транспортиране на H + през мембраната, но с достатъчно голям протонен градиент, протоните започват да „текат“ през АТФ синтетазата в обратна посокакоето се придружава от синтеза на АТФ.

3. Вътрешната мембрана на митохондриите е непропусклива за H + , OH - и изобщо всички аниони и катиони.

4. Вътрешната митохондриална мембрана съдържа редица протеини-носители, които извършват транспорта на необходимите метаболити и неорганични йони.

Преминаването на високоенергийни електрони, доставени от NADH и FADH 2 през дихателната верига на вътрешната митохондриална мембрана от един носител към следващия, освобождава енергия, която се използва за изпомпване на протони (H +) през вътрешната мембрана от матрицата в междумембранно пространство. (вижте снимка 2)

Фигура 2. Протонен трансфер с участието на АТФ синтазната система (модел на Мичъл).

В резултат на това върху вътрешната мембрана се създава електрохимичен протонен градиент; Енергията на обратния ток на протоните "надолу" по този градиент се използва от свързания с мембраната ензим АТФ синтетаза, който катализира образуването на АТФ от АДФ и Pn, т.е. последният етап на окислителното фосфорилиране.

Редокс верига на окислително фосфорилиране.

Електроните се прехвърлят от NADH към кислорода чрез три големи ензимни комплекса на дихателната верига. Въпреки че механизмите за извличане на енергия в дихателната верига и в други катаболни реакции са различни, те се основават на общи принципи. Реакцията H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O се разделя на много малки "стъпки", така че освободената енергия да може да се преобразува в свързани форми, вместо да се разсейва като топлина. Както при образуването на ATP и NADH в гликолизата или в цикъла на лимонената киселина, това се дължи на употребата индиректен начин. Но уникалността на дихателната верига се състои в това, че тук, на първо място, водородните атоми се разделят на електрони и протони. Електроните се прехвърлят чрез серия от носители , вградени във вътрешната митохондриална мембрана. Когато електроните достигнат края на тази електронна транспортна верига, протоните са там, за да неутрализират отрицателния заряд, който възниква, когато електроните преминават към кислородната молекула.

Нека проследим процеса на окисление, започвайки с образуването на NADH, основният акцептор на реактивни електрони, извлечени по време на окисляването на молекулите на хранителните вещества. Всеки водороден атом се състои от един електрон и един протон. Всяка молекула NADH носи хидриден йон (водороден атом + допълнителен електрон, H:-), а не само водороден атом. Въпреки това, поради наличието на свободни протони в околния воден разтвор, трансферът на хидриден йон в състава на NADH е еквивалентен на трансфера на два водородни атома или водородна молекула (H: - + H + ® H 2) .

Преносът на електрони по дихателната верига започва с отстраняването на хидриден йон (H: -) от NADH; в този случай NAD + се регенерира и хидридният йон се превръща в протон и два електрона (H: - ® H + + 2e -). Тези електрони отиват при първия от над 15 различни носители на електрони в дихателната верига. В този момент електроните имат много голямо количество енергия, чийто запас постепенно намалява, докато преминават през веригата. Най-често електроните се движат от един метален атом към друг, като всеки от тези атоми е здраво свързан с протеинова молекула, което влияе на неговия електронен афинитет. Важно е да се отбележи, че всички протеини-носители на електрони са групирани в три големи комплекса от респираторни ензими, всеки от които съдържа трансмембранни протеини, които здраво фиксират комплекса във вътрешната митохондриална мембрана. Всеки следващ комплекс има по-голям афинитет към електроните от предишния. Електроните последователно преминават от един комплекс в друг, докато накрая преминат към кислорода, който има най-висок електронен афинитет.

Енергията, освободена по време на транспортирането на електрони по дихателната верига, се съхранява под формата на електрохимичен протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана.

Окислителното фосфорилиране е възможно поради тясната връзка на електронните носители с протеиновите молекули. Протеините насочват електроните по дихателната верига, така че те преминават последователно от един ензимен комплекс към друг, без да "скачат" през междинните звена. Особено важно е, че прехвърлянето на електрони е свързано с алостерични промени в определени протеини на молекули, в резултат на което енергийно благоприятен поток от електрони предизвиква изпомпване на протони (Н +) през вътрешната мембрана от матрицата в интермембраната. пространство и по-нататък извън митохондриите. Движението на протоните води до две важни последици: 1) между двете страни на вътрешната мембрана се създава рН градиент - в матрицата рН е по-високо отколкото в цитозола, където стойността на рН обикновено е близо до 7,0 (тъй като малки молекули свободно преминават през външната мембрана на митохондриите, pH в междумембранното пространство ще бъде същото като в цитозола); 2) върху вътрешната мембрана се създава градиент на напрежение (мембранен потенциал), като вътрешната страна на мембраната се зарежда отрицателно, а външната страна е положително заредена. Градиентът на рН (DрН) кара Н+ йоните да се връщат обратно в матрицата, а ОН йоните да излизат от матрицата, което засилва ефекта на мембранния потенциал, под влиянието на който всеки положителен заряд се привлича към матрицата, а всеки отрицателен се изтласква от него. Комбинираното действие на тези две сили води до появата на електрохимичен протонен градиент. Електрохимичният протонен градиент създава протонна движеща сила, измерена в миливолтове (mV).

Енергията на електрохимичния протонен градиент се използва за синтез на АТФ и транспорт на метаболити и неорганични йони в матрицата.

Вътрешната мембрана на митохондриите се характеризира с необичайно високо съдържание на протеини - съдържа приблизително 70% протеин и 30% фосфолипиди от теглото. Много от тези протеини са част от електронната транспортна верига, която поддържа протонния градиент през мембраната. Друг важен компонент - ензима АТФ синтаза, който катализира синтеза на АТФ. Това е голям протеинов комплекс, през който протоните се връщат обратно в матрицата по електрохимичен градиент. Подобно на турбина, АТФ синтетазата преобразува една форма на енергия в друга, синтезирайки АТФ от АДФ и Pn в митохондриалната матрица в реакция, съчетана с протонен поток в матрицата (виж Фигура 3).

Фигура 3. Общ механизъм на окислително фосфорилиране.

Но синтезът на АТФ не е единственият процес, който възниква поради енергията на електрохимичния градиент. В матрицата, където се намират ензимите, участващи в цикъла на лимонената киселина и други метаболитни реакции, е необходимо да се поддържат високи концентрации на различни субстрати; по-специално, АТФ синтетазата изисква АДФ и фосфат. Следователно, различни субстрати, носещи заряд, трябва да бъдат транспортирани през вътрешната мембрана. Това се постига чрез различни транспортни протеини, вградени в мембраната, много от които активно изпомпват специфични молекули срещу техните електрохимични градиенти, т.е. извършват процес, който изисква енергия. За повечето от метаболитите източникът на тази енергия е конюгацията с движението на някои други молекули "надолу" по техния електрохимичен градиент. Например, антипортовата система ADP-ATP участва в транспорта на ADP: когато всяка ADP молекула навлезе в матрицата, една ATP молекула я напуска по своя електрохимичен градиент. В същото време симпортната система свързва трансфера на фосфат в митохондриите с потока H+, насочен там: протоните навлизат в матрицата по техния градиент и в същото време „влачат“ фосфата със себе си. По подобен начин се прехвърля към матрицата и пирувата. Енергията на електрохимичния протонен градиент също се използва за прехвърляне на Ca 2+ йони в матрицата, които очевидно играят важна роля в регулирането на активността на някои митохондриални ензими.

Колкото повече енергия от електрохимичния градиент се изразходва за преноса на молекули и йони към митохондриите, толкова по-малко остава за синтеза на АТФ. Например, ако изолирани митохондрии се поставят в среда с високо съдържание на Ca 2 +, те напълно ще спрат синтеза на АТФ; цялата енергия на градиента ще бъде изразходвана за транспортирането на Ca 2+ към матрицата. В някои специализирани клетки електрохимичният протонен градиент е "шунтиран" по такъв начин, че митохондриите произвеждат топлина вместо синтез на АТФ. Очевидно клетките са в състояние да регулират използването на енергията на електрохимичния протонен градиент и да я насочват към онези процеси, които са най-важни в момента.

Бързото превръщане на ADP в ATP в митохондриите прави възможно поддържането на високо съотношение на концентрациите на ATP/ADP в клетките. С помощта на специален протеин, вграден във вътрешната мембрана, ADP се транспортира в матрицата в замяна на ATP според принципа на антипорта. В резултат на това ADP молекулите, освободени по време на хидролизата на АТФ в цитозола, бързо навлизат в митохондриите за „презареждане“, докато АТФ молекулите, образувани в матрицата по време на окислителното фосфорилиране, също бързо излизат в цитозола, където са необходими. В човешкото тяло ATP молекули на ден, което прави възможно поддържането на концентрация на ATP в клетката, която е повече от 10 пъти по-висока от концентрацията на ADP.

В процеса на окислително фосфорилиране всяка двойка NADH електрони осигурява енергия за образуването на приблизително три ATP молекули. Двойка FADH 2 електрони, която има по-ниска енергия, осигурява енергия за синтеза само на две ATP молекули. Средно всяка молекула ацетил-CoA, влизаща в цикъла на лимонената киселина, дава около 12 ATP молекули. Това означава, че когато една молекула глюкоза се окислява, се образуват 24 молекули АТФ, а когато се окислява една молекула палмитат, мастна киселина с 16 въглеродни атома, се образуват 96 молекули АТФ. Ако вземем предвид и екзотермичните реакции, които предхождат образуването на ацетил-КоА, се оказва, че пълното окисление на една молекула глюкоза произвежда около 36 молекули АТФ, докато пълното окисление на палмитата произвежда около 129 молекули АТФ. Това са максималните стойности, тъй като всъщност количеството АТФ, синтезирано в митохондриите, зависи от това каква част от енергията на протонния градиент отива за синтеза на АТФ, а не за други процеси. Ако сравним промяната в свободната енергия по време на изгарянето на мазнини и въглехидрати директно до CO 2 и H 2 O с общото количество енергия, съхранявана във фосфатните връзки на ATRP в процесите на биологично окисление, се оказва, че ефективността на преобразуването на окислителната енергия в ATP енергия често надхвърля 50%. Тъй като цялата неизползвана енергия се освобождава като топлина, големите организми ще се нуждаят от повече ефективни начиниразсейване на топлината в околната среда.

Огромното количество свободна енергия, освободена по време на окисляването, може да се използва ефективно само на малки порции. Сложният процес на окисляване включва много междинни продукти, всеки от които се различава малко от предишния. Благодарение на това освободената енергия се разгражда на по-малки количества, които могат да бъдат ефективно преобразувани с помощта на свързани реакции във високоенергийни връзки на ATP и NADH молекули.

През 1960 г. за първи път беше показано, че различни мембранни протеини, участващи в окислителното фосфорилиране, могат да бъдат изолирани без загуба на активност. От повърхността на субмитохондриалните частици беше възможно да се отделят и превърнат в разтворима форма малките протеинови структури, които ги осеяха. Въпреки че субмитохондриалните частици без тези сферични структури продължават да окисляват NADH в присъствието на кислород, синтезът на АТФ не настъпва. От друга страна, изолираните структури действат като АТФази, хидролизирайки АТФ до ADP и Pn. Когато сферични структури (наречени F1-ATPases) бяха добавени към субмитохондриални частици без такива, преоформените частици повторно синтезираха ATP от ADP и Fn.

F 1 - ATPase е част от голям, проникващ в цялата дебелина на мембранния комплекс, който се състои от най-малко девет различни полипептидни вериги. Този комплекс се нарича АТФ синтетаза; той представлява около 15% от общия протеин на вътрешната митохондриална мембрана. Много подобни АТФ синтетази се намират в мембраните на хлоропластите и бактериите. Такъв протеинов комплекс съдържа трансмембранни канали за протони и се появява само когато протоните преминават през тези канали надолу по своя електрохимичен градиент.

АТФ синтетазата може да действа в обратна посока - да разделя АТФ и да изпомпва протони. Действието на АТФ синтетазата е обратимо: тя е в състояние да използва както енергията на хидролизата на АТФ, за да изпомпва протони през вътрешната митохондриална мембрана, така и енергията на протонния поток по електрохимичния градиент, за да синтезира АТФ. По този начин АТФ синтетазата е обратима конюгираща система, която извършва взаимното преобразуване на енергията на електрохимичния протонен градиент и химичните връзки. Посоката на неговата работа зависи от връзката между стръмността на протонния градиент и локалната стойност на DG за хидролиза на АТФ.

АТФ синтетазата получи името си поради факта, че при нормални условия градиентът на npotonnoro, поддържан от дихателната верига, синтезира повечетообщ клетъчен АТФ. Броят на протоните, необходими за синтеза на една ATP молекула, не е точно известен. Когато протоните преминават през АТФ синтетазата, се синтезира една АТФ молекула.

Как ще работи АТФ синтетазата в даден момент - в посока синтез или хидролиза на АТФ - зависи от точния баланс между промените в свободната енергия за преминаването на три протона през мембраната в матрицата и за синтеза на АТФ в матрица. Както вече споменахме, DG стойността на syn.ATP се определя от концентрациите на три вещества в митохондриалния матрикс - ATP, ADP и Fn. С постоянна протон-движеща сила, ATP синтетазата ще синтезира ATP, докато съотношението на ATP към ADP и Fn достигне стойност, при която DG стойността на syn.ATP стане точно +15,2 kcal / mol. При такива условия синтезът на АТФ ще бъде точно балансиран чрез неговата хидролиза.

Да предположим, че поради енергоемки реакции, голямо количество АТФ внезапно се хидролизира в цитозола и това доведе до спад в съотношението АТФ:АДФ в митохондриалната матрица. В този случай DG synth. ще намалее и АТФ синтетазата отново ще премине към синтез на АТФ, докато се възстанови първоначалното съотношение АТФ:АДФ. Ако протон-движещата сила внезапно намалее и се поддържа на постоянно ниво, тогава АТФ синтетазата ще започне да разделя АТФ и тази реакция ще продължи, докато съотношението между концентрациите на АТФ и АДФ достигне някаква нова стойност (при която DG synth. ATP = +13,8 kcal/mol) и т.н.

Ако АТФ синтетазата обикновено не транспортира Н + от матрицата, тогава дихателната верига, разположена във вътрешната митохондриална мембрана при нормални условия, транспортира протони през тази мембрана, като по този начин създава електрохимичен протонен градиент, който доставя енергия за синтеза на АТФ.

Повечето от електронните носители, които изграждат дихателната верига, абсорбират светлина и тяхното окисление или редукция е придружено от промяна на цвета. Обикновено абсорбционният спектър и реактивността на всеки носител са доста характерни, което прави възможно проследяването на промените в неговите състояния с помощта на спектроскопия дори в суров екстракт. Това направи възможно изолирането на такива носители много преди истинската им функция да стане ясна. Например, цитохромите са открити през 1925 г. като съединения, които бързо се окисляват и редуцират в различни организми като дрожди, бактерии и насекоми. Чрез наблюдение на клетките и тъканите със спектроскоп беше възможно да се идентифицират три вида цитохроми, които се различаваха по спектрите на абсорбция и бяха наречени цитохроми a, b и c. . Клетките съдържат няколко типа цитохроми от всеки тип и класификацията по тип не отразява тяхната функция.

Най-простият носител на електрони е малка хидрофобна молекула, разтворена в липидния двоен слой и наречена убихинон или коензим Q. Тя е в състояние да приеме или дари един или два електрона и временно да улавя протон от средата с всеки трансфер на електрон.

Фигура 4. Структура на убихинон.

Дихателната верига съдържа три големи ензимни комплекса, вградени във вътрешната мембрана

Мембранните протеини са трудни за изолиране като непокътнати комплекси, тъй като те са неразтворими в повечето водни разтвори и вещества като детергенти и урея, необходими за тяхното разтваряне, могат да попречат на нормалните протеин-протеинови взаимодействия. Въпреки това, в началото на 1960 г. установено е, че относително леки йонни детергенти като дезоксихолат могат да разтворят някои компоненти на митохондриалната вътрешна мембрана в нативна форма. Това направи възможно идентифицирането и изолирането на трите основни свързани с мембраната респираторни ензимни комплекса по пътя от NADH към кислорода.

Фигура 5. Респираторни ензимни комплекси.

1. NADH - дехидрогеназният комплекс, най-големият от дихателните ензимни комплекси, има молекулно тегло над 800 000 и съдържа повече от 22 полипептидни вериги. Той приема електрони от NADH и ги прекарва през флавина и най-малко пет желязо-сярни центъра до_убихинон - малка мастноразтворима молекула, която отдава електрони на втория комплекс от дихателни ензими, b-c 1 комплекса.

2. Комплексът b-c 1 се състои от най-малко 8 различни полипептидни вериги и вероятно съществува като димер с молекулно тегло 500 000. Всеки мономер съдържа три цитохромни теми и желязо-сярен протеин. Комплексът приема електрони от убихинон и ги предава на цитохром с, малък периферен мембранен протеин, който след това ги прехвърля на цитохромоксидазния комплекс.

3. Цитохромоксидазният комплекс (цитохром аа 3) е най-изследваният от трите комплекса. Състои се от поне осем различни полипептидни вериги и е изолиран като димер с молекулно тегло 300 000; всеки мономер съдържа два цитохрома и два медни атома.Този комплекс приема електрони от цитохром с и ги прехвърля на кислород.

Цитохромите, желязно-серните центрове и медните атоми са способни да носят само един електрон наведнъж. Междувременно всяка молекула NADH отдава два електрона и всяка молекула O 2 трябва да приеме 4 електрона, за да образува водна молекула. Във веригата за транспортиране на електрони има няколко секции за събиране и разпределение на електрони, където се координира разликата в броя на електроните. Например, цитохромоксидазният комплекс приема 4 електрона от молекулите на цитохром с поотделно и в крайна сметка ги прехвърля към една свързана молекула O 2, което води до образуването на две водни молекули. В междинните етапи на този процес два електрона навлизат в цитохром а хема и свързания с протеина меден атом, Cu a, преди да се преместят в мястото за свързване на кислорода. На свой ред мястото за свързване на кислорода съдържа още един меден атом и цитохром а 3 хем. Въпреки това, механизмът за образуване на две водни молекули в резултат на взаимодействието на свързана молекула O 2 с четири протона не е известен точно.

В повечето клетки около 90% от целия абсорбиран кислород взаимодейства с цитохромоксидазата. Токсичността на такива отрови като цианид и азид се свързва със способността им да се прикрепят здраво към цитохромоксидазния комплекс и по този начин да блокират целия транспорт на електрони.

Двата компонента, които пренасят електрони между трите основни ензимни комплекса на дихателната верига, убихинон и цитохром с, се движат бързо чрез дифузия в равнината на мембраните.

Сблъсъците между тези мобилни носители и ензимните комплекси са достатъчни, за да обяснят наблюдаваната скорост на пренос на електрони (всеки комплекс отдава и приема един електрон на всеки 5-10 милисекунди). Следователно, няма нужда да се приема структурен ред във веригата от протеини-носители в липидния двоен слой; всъщност ензимните комплекси очевидно съществуват в мембраната като независими компоненти и подреденият трансфер на електрони се осигурява само от спецификата на функционалните взаимодействия между компонентите на веригата.

Това се подкрепя и от факта, че различните компоненти на дихателната верига присъстват в напълно различни количества. Например, в митохондриите на сърцето, за всяка молекула NADH-дехидрогеназен комплекс има 3 молекули | комплекс b-c 1 комплекс, 7 молекули на цитохромоксидазния комплекс, 9 молекули на цитохром с и 50 молекули на убихинон; много различни съотношения на тези протеини са открити в някои други клетки.

Значителен редокс спад във всеки от трите комплекса на дихателната верига доставя енергията, необходима за изпомпване на протони .

Двойка като H 2 O и ½ O 2 (или NADH и NAD +) се нарича спрегната редокс двойка, тъй като един от нейните членове се превръща в друг, ако се добавят един или повече електрони и един или повече протони (последните винаги са достатъчни във всеки воден разтвор). Така, например, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Добре известно е, че 50:50 смес от съединения, образуващи конюгирана киселинно-основна двойка, действа като буфер за поддържане на определено "протонно налягане" (рН), чиято стойност се определя от константата на дисоциация на киселината. По абсолютно същия начин, смес 50:50 от компонентите на една двойка поддържа определено "електронно налягане" или редокс потенциал (редокс потенциал) E, който служи като мярка за афинитета на молекулата носител към електрони.

Чрез поставяне на електродите в разтвор с подходящите редокс двойки може да се измери редокс потенциалът на всеки електронен носител, участващ в биологични редокс реакции. Двойките съединения с най-отрицателни стойности на редокс потенциала имат най-нисък електронен афинитет, т.е. съдържат носители с най-малка склонност да приемат електрони и най-голяма склонност да ги даряват. Например, смес от NADH и NAD + (50:50) има редокс потенциал от -320 mV, което показва много изразена способност на NADH да отдава електрони, докато редокс потенциалът на смес от равни количества H 2 O и ½O 2 е +820 mV, което означава силна тенденция от 0 2 да приема електрони.

Във всеки от трите основни респираторни комплекса се наблюдава рязък спад. Потенциалната разлика между всеки_два електронни носителя е право пропорционална на енергията, освободена, когато електрон преминава от един носител към друг. Всеки комплекс действа като устройство за преобразуване на енергия, насочвайки тази свободна енергия за преместване на протони през мембраната, което води до създаването на електрохимичен протонен градиент, докато електроните преминават през веригата.

За да работи механизмът за преобразуване на енергията, който е в основата на окислителното фосфорилиране, е необходимо всеки ензимен комплекс от дихателната верига да бъде ориентиран във вътрешната митохондриална мембрана по определен начин - така че всички протони да се движат в една посока, т.е. извън матрицата. . Тази векторна организация на мембранните протеини е демонстрирана с помощта на специални сонди, които не преминават през мембраната, които маркират комплекса само от едната страна на мембраната. Специфичната ориентация в двуслойния слой е характерна за всички мембранни протеини и е много важна за тяхната функция.

Механизми на изпомпване на протони от компоненти на дихателната верига.

В процеса на окислително фосфорилиране, когато една молекула NADH се окислява (т.е. когато два електрона преминават през всичките три ензимни комплекса), не се образуват повече от три ATP молекули. Ако приемем, че обратното преминаване на три протона през АТФ синтетазата осигурява синтеза на една АТФ молекула, ще бъде възможно да се заключи, че средно прехвърлянето на един електрон от всеки комплекс е придружено от движението на един и a половин протони (с други думи, по време на транспортирането на един електрон някои комплекси прехвърлят един протон, докато други - два протона). Вероятно различните компоненти на дихателната верига имат различни механизми на конюгиране на електронния транспорт с движението на протоните. Алостеричните промени в конформацията на протеинова молекула, свързани с транспорта на електрони, могат по принцип да бъдат придружени от "изпомпване" на протони, точно както протоните се движат, когато действието на АТФ синтетазата е обърнато. С прехвърлянето на всеки електрон хинонът улавя протон от водната среда, който след това го отдава, когато се освободи електрон. Тъй като убихинонът се движи свободно в липидния двоен слой, той може да приема електрони близо до вътрешната повърхност на мембраната и да ги прехвърля към b-c 1 комплекса близо до външната й повърхност, като премества един протон през двойния слой за всеки прехвърлен електрон. Използвайки по-сложни модели, може също да се обясни движението на два протона на електрон от комплекса b-c 1, като се приеме, че убихинонът многократно преминава през комплекса b-c 1 в определена посока.

Обратно, молекулите, които отдават електрони на цитохромоксидазния комплекс, не изглеждат протонни транспортери, в който случай транспортът на електрони вероятно е свързан с определена алостерична промяна в конформацията на протеиновите молекули, в резултат на което някои части на самия протеинов комплекс пренася протони.

Разрушително действие.

От 1940 г. са известни редица липофилни слаби киселини, които могат да действат като разединителни агенти, т.е. нарушават свързването на електронния транспорт със синтеза на АТФ. Когато тези органични съединения с ниско молекулно тегло се добавят към клетките, митохондриите спират синтеза на АТФ, като същевременно продължават да абсорбират кислород. В присъствието на разединяващ агент скоростта на транспортиране на електрони остава висока, но не се създава протонен градиент. Това е просто обяснение за този ефект: разединяващите агенти (напр. динитрофенол, тироксин) действат като Н + носители (Н + -йонофори) и отварят допълнителен път- вече не чрез АТФ синтетаза - за потока на Н + през вътрешната митохондриална мембрана.

Дихателен контрол.

Когато разединяващ агент, като динитрофенол, се добави към клетките, поглъщането на кислород от митохондриите се увеличава значително, тъй като скоростта на пренос на електрони се увеличава. Това ускорение е свързано с наличието на дихателен контрол. Смята се, че този контрол се основава на директния инхибиторен ефект на електрохимичния протонен градиент върху електронния транспорт. Когато електрохимичният градиент изчезне в присъствието на разединител, неконтролираният електронен транспорт достига максимална скорост. Увеличаването на градиента забавя дихателната верига и транспортирането на електрони се забавя. Освен това, ако в експеримента върху вътрешната мембрана изкуствено се създаде необичайно висок електрохимичен градиент, тогава нормалният транспорт на електрони ще спре напълно и в някои части на дихателната верига ще бъде възможно да се открие обратен поток от електрони. . Това предполага, че респираторният контрол отразява прост баланс между промяната в свободната енергия по време на движението на протоните, свързана с транспорта на електрони, и промяната в свободната енергия по време на самия транспорт на електрони.Величината на електрохимичния градиент влияе както на скоростта, така и на посоката на електрона трансфер, както и върху посоката на действие на АТФ синтетазата.

Дихателният контрол е само част от сложна система от взаимосвързани регулаторни механизми за обратна връзка, които координират скоростите на гликолизата, разграждането на мастни киселини, реакциите на цикъла на лимонената киселина и транспорта на електрони. Скоростите на всички тези процеси зависят от съотношението на АТФ:АДФ - те се увеличават, когато това съотношение намалява в резултат на увеличеното използване на АТФ. Например, АТФ синтетазата на вътрешната митохондриална мембрана работи по-бързо, когато концентрациите на нейните субстрати, т.е. ADP и Pn, се повишат. Колкото по-висока е скоростта на тази реакция, толкова повече протони се вливат в матрицата, като по този начин електрохимичният градиент се разсейва по-бързо; а намаляването на градиента, от своя страна, води до ускоряване на електронния транспорт.

Митохондриите в кафявата мастна тъкан са генератори на топлина.

Всички гръбначни животни в млада възраст изискват термогенно устройство за генериране на топлина, в допълнение към механизма на мускулен тремор. Такова устройство е особено важно за зимуващи животни. Мускулите при тремор се свиват дори при липса на упражнения, като използват контрактилни протеини, за да хидролизират АТФ по обичайния начин за мускулните клетки и освобождават под формата на топлина цялата енергия, потенциално налична от хидролизата на АТФ. Необходимостта от специално термогенно устройство се определя от силно свързаното окислително фосфорилиране на нормалните митохондрии. Ако този процес може да бъде отделен, както се случва в присъствието на динитрофенол, той може да служи като подходящо устройство за производство на топлина; така се случва в митохондриите на кафявата мазнина. Въпреки че тези митохондрии имат конвенционална обратима АТФ-аза, те също имат трансмембранна протонна транслоказа, през която протоните могат да се върнат в матрицата и електрически да шунтират АТФ-азната активност. Ако този процес е достатъчен, за да поддържа редокс потенциала на водорода доста под 200 mV, синтезът на АТФ става невъзможен и процесът на окисление протича свободно, в резултат на което цялата енергия се освобождава като топлина.

Цикъл на лимонената киселина (цикъл на трикарбоксилната киселина, цикъл на Кребс).

Цикълът на лимонената киселина е поредица от реакции, протичащи в митохондриите, по време на които ацетилните групи се катаболизират и се освобождават водородни еквиваленти; по време на окисляването на последния се доставя свободната енергия на горивните ресурси на тъканите. Ацетиловите групи се намират в ацетил-КоА (активен ацетат), тиоестерът на коензим А.

Главна функцияна цикъла на лимонената киселина е, че това е общият краен път за окисление на въглехидрати, протеини и мазнини, тъй като глюкозата, мастните киселини и аминокиселините се метаболизират или в ацетил-КоА, или в междинни продукти на цикъла. Цикълът на лимонената киселина също играе важна роля в процесите на глюконеогенеза, трансаминиране, дезаминиране и липогенеза.Въпреки че редица от тези процеси се случват в много тъкани, черният дроб е единственият орган, в който се извършват всички тези процеси. Следователно увреждането на голям брой чернодробни клетки или тяхното заместване със съединителна тъкан причинява сериозни последствия. Жизненоважната роля на цикъла на лимонената киселина се доказва и от факта, че при хората почти няма известни генетични промени в ензимите, които катализират реакциите на цикъла, тъй като наличието на такива нарушения е несъвместимо с нормалното развитие.

Откриване на КТК.

Съществуването на такъв цикъл за окисляване на пируват в животински тъкани е предложено за първи път през 1937 г. от Ханс Кребс. Тази идея се ражда от него, когато той изучава ефекта на аниони на различни органични киселини върху скоростта на усвояване на кислород от суспензии от натрошени гълъбови гръдни мускули, в които се окислява пируватът. Гръдните мускули се характеризират с изключително висока интензивност на дишане, което ги прави особено удобен обект за изследване на окислителната активност. Кребс също потвърди, че други органични киселини, открити преди това в животински тъкани (янтарна, ябълчена, фумарова и оксалоцетна) стимулират окислението на пируват. Освен това той установи, че окислението на пирувата от мускулната тъкан се стимулира от шествъглеродни трикарбоксилни киселини - лимонена, цис-аконитова и изолимонена, както и от пет-въглеродна а-кетоглутарова киселина. Тествани са няколко други естествено срещащи се органични киселини, но нито една от тях не е показала подобна активност. Самото естество на стимулиращия ефект на активните киселини привлече вниманието: дори малко количество от която и да е от тях беше достатъчно, за да предизвика многократно окисление. Повече ▼пируват.

Прости експерименти, както и логически разсъждения позволиха на Кребс да предположи, че цикълът, който той нарече цикъл на лимонената киселина, е основният път за окисляване на въглехидратите в мускулите. След това цикълът на лимонената киселина е открит в почти всички тъкани на висши животни и растения и в много аеробни микроорганизми. За това важно откритие Кребс е награден през 1953 г Нобелова награда. Юджийн Кенеди и Алберт Ленингер по-късно показаха, че всички реакции от цикъла на лимонената киселина протичат в митохондриите на животинските клетки. В изолирани митохондрии на черен дроб на плъх са открити не само всички ензими и коензими от цикъла на лимонената киселина; тук, както се оказа, са локализирани всички ензими и протеини, които са необходими за последния етап на дишането, т.е. за електронен трансфер и окислително фосфорилиране. Следователно митохондриите с право се наричат ​​"електростанции" на клетката.

Катаболитна роля на цикъла на лимонената киселина

Цикълът започва с взаимодействието на молекулата на ацетил-КоА с оксалооцетната киселина (оксалоацетат), което води до образуването на шест въглеродна трикарбоксилна киселина, наречена лимонена киселина. Това е последвано от поредица от реакции, по време на които се освобождават две молекули CO2 и се регенерира оксалоацетат. Тъй като количеството оксалоацетат, необходимо за превръщането на голям брой ацетилови единици в CO 2, е много малко, можем да предположим, че оксалоацетатът играе каталитична роля.

Цикълът на лимонената киселина е механизмът, който улавя по-голямата част от свободната енергия, освободена по време на окисляването на въглехидрати, липиди и протеини. По време на окисляването на ацетил-КоА, поради активността на редица специфични дехидрогенази, се образуват редуциращи еквиваленти под формата на водород или електрони. Последните влизат в дихателната верига; по време на функционирането на тази верига възниква окислително фосфорилиране, т.е. синтезира се АТФ.

Ензимите от цикъла на лимонената киселина са локализирани в митохондриалната матрица, където се намират или в свободно състояние, или върху вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана; в последния случай се улеснява прехвърлянето на редуциращи еквиваленти към ензимите на дихателната верига, локализирани във вътрешната митохондриална мембрана.

CTC реакции.

Първоначалната реакция, кондензацията на ацетил-CoA и оксалоацетат, се катализира от кондензиращия ензим, цитрат синтетаза, и се образува връзка въглерод-въглерод между метиловия въглерод на ацетил-CoA и карбонилния въглерод на оксалоацетата. Реакцията на кондензация, водеща до образуването на цитрил-КоА, е последвана от хидролиза на тиоетерната връзка, придружена от загуба на голямо количество свободна енергия под формата на топлина; това определя протичането на реакцията отляво надясно, докато тя приключи:

Ацетил-CoA + Оксалоацетат + H 2 O → Цитрат + CoA-SH

Превръщането на цитрат в изоцитрат се катализира от аконитаза, съдържаща двувалентно желязо. Тази реакция протича на два етапа: първо настъпва дехидратация с образуването на цис-аконитат (част от него остава в комплекс с ензима), а след това хидратация и образуване на изоцитрат:

Цитрат ↔ цис-Аконитат ↔ Изоцитрат - H 2 O

Реакцията се инхибира от флуороацетат, който първо се превръща във флуороацетил-КоА; последният кондензира с оксалоацетат, за да образува флуороцитрат. Флуороцитратът е директен инхибитор на аконитазата; цитратът се натрупва при инхибиране.

Експериментите с междинни продукти показват, че аконитазата взаимодейства с цитрата асиметрично: тя винаги действа върху частта от цитратната молекула, която е образувана от оксалоацетат. Възможно е цис-аконитатът да не е задължително междинно звено между цитрат и изоцитрат и да се образува в страничния клон на главния път.

Освен това изоцитрат дехидрогеназата катализира дехидрогенирането с образуването на оксалосукцинат. Три различни формиизоцитрат дехидрогеназа. Един от тях, NAD-зависимият, се намира само в митохондриите. Другите две форми са NADP-зависими, едната от които също се намира в митохондриите, а другата в цитозола. Окисляването на изоцитрат, свързано с работата на дихателната верига, се извършва почти изключително от NAD-зависим ензим:

Изоцитрат + NAD + ↔ Оксалосукцинат (в комплекс с ензима) ↔ алфа-кетоглутарат + CO 2 + NADH 2

Фигура 5. Реакции в цикъла на Кребс.

Това е последвано от декарбоксилиране с образуване на алфа-кетоглутарат, който също се катализира от изоцитрат дехидрогеназа. Важен компонент на реакцията на декарбоксилиране са Mg 2+ (или Mn 2+) йони. Съдейки по наличните данни, оксалосукцинатът, образуван в междинния етап на реакцията, остава в комплекс с ензима.

Алфакетоглутаратът от своя страна претърпява окислително декарбоксилиране, подобно на това на пирувата: и в двата случая субстратът е алфакетокиселина. Реакцията се катализира от алфа-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс и изисква участието на същия набор от кофактори - тиамин дифосфат, липоат, NAD +, FAD и CoA; в резултат се образува сукцинил-КоА - тиоетер, съдържащ високоенергийна връзка.

α-кетоглуторат + NAD + + CoA-SH → сукцинил-CoA + CO 2 + NADH + H +

Равновесието на реакцията е толкова силно изместено към образуването на сукцинил-КоА, че може да се счита за физиологично еднопосочно. Както при окислението на пирувата, реакцията се инхибира от арсенат, което води до натрупване на субстрата (алфа-кетоглутарат).

Цикълът продължава с превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат, катализирано от сукцинат тиокиназа (сукцинил-КоА синтетаза):

Сукцинил-CoA + P H + GDP↔ Сукцинат + GTP + CoA-SH

Един от реакционните субстрати е GDP (или IDP), от който се образува GTP (ITP) в присъствието на неорганичен фосфат. Това е единствената стъпка в цикъла на лимонената киселина, която генерира високоенергийна фосфатна връзка на ниво субстрат; при окислителното декарбоксилиране на α-кетоглутарат потенциалното количество свободна енергия е достатъчно за образуване на NADH и високоенергийна фосфатна връзка. В реакция, катализирана от фосфокиназа, АТФ може да се образува както от GTP, така и от ITP. Например:

GTP+ADP «БВП+ATP.

В алтернативна реакция, протичаща в екстрахепаталните тъкани и катализирана от сукцинил-CoA-ацетоацетат-CoA-трансфераза, сукцинил-CoA се превръща в сукцинат, съчетано с превръщането на ацетоацетат в ацетоацетил-CoA. В черния дроб има диацилазна активност, която осигурява хидролизата на част от сукцинил-КоА с образуването на сукцинат и КоА.

Сукцинат + FAD « Фумарат + FADH 2

Първото дехидрогениране се катализира от сукцинат дехидрогеназа, свързана към вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана. Това е единствената дехидрогеназна реакция на CTK, по време на която се осъществява директен трансфер от субстрата към флавопротеина без участието на NAD +. Ензимът съдържа FAD и желязо-сярен протеин. В резултат на дехидрогенирането се образува фумарат. Експерименти с използване на изотопи показват, че ензимът е стереоспецифичен към транс водородните атоми на метиленовите групи на сукцината. Добавянето на малонат или оксалоацетат инхибира сукцинат дехидрогеназата, което води до натрупване на сукцинат.

Фумаразата (фумарат хидротаза) катализира добавянето на вода към фумарат, за да се образува малат:

Фумарат + H 2 O "L-малат

Фумаразата е специфична за L-изомера на малата; тя катализира добавянето на компоненти на водната молекула към фумаратната двойна връзка в транс конфигурация. Малат дехидрогеназата катализира превръщането на малат в оксалоацетат, реакцията протича с участието на NAD +:

L-малат + NAD + "0ксалоацетат + NADH 2

Въпреки че равновесието на тази реакция е силно изместено в посока на малат, то всъщност протича в посока на оксалоацетат, тъй като той, заедно с NADH, постоянно се изразходва в други реакции.

Ензимите от цикъла на лимонената киселина, с изключение на алфа-кетоглутарат и сукцинат дехидрогеназа, също се намират извън митохондриите. Въпреки това, някои от тези ензими (напр. малат дехидрогеназа) се различават от съответните митохондриални ензими.

Енергетика на цикъла на лимонената киселина.

В резултат на окисление, катализирано от TCA дехидрогенази, за всяка ацетил-CoA молекула, катаболизирана по време на един цикъл, се образуват три NADH молекули и една FADH 2 молекула. Тези редукционни еквиваленти се прехвърлят към дихателната верига, разположена в митохондриалната мембрана. Докато преминават през веригата, редуциращите еквиваленти на NADH генерират три високоенергийни фосфатни връзки чрез образуването на ATP от ADP чрез окислително фосфорилиране. Само две високоенергийни фосфатни връзки се генерират от FADH 2, тъй като FADH 2 прехвърля редуциращи еквиваленти към коензим Q и следователно заобикаля първия крак на веригата на окислително фосфорилиране в дихателната верига. Друг високоенергиен фосфат се генерира на едно от местата на цикъла на лимонената киселина, тоест на нивото на субстрата, когато сукцинил-КоА се превръща в сукцинат. Така през периода на всеки цикъл се образуват 12 нови високоенергийни фосфатни връзки.

Регулиране на цикъла на лимонената киселина.

Основните процеси, които доставят и съхраняват енергия в клетките, могат да бъдат обобщени, както следва:

глюкоза пируват ® ацетил-КоА мастни киселини

Регулирането на тази система трябва, наред с другото, да осигури постоянно снабдяване с АТФ, съизмеримо с текущите енергийни нужди, да гарантира, че излишните въглехидрати се превръщат в мастни киселини чрез пируват и ацетил-КоА и в същото време да контролира икономичното използване на мастни киселини чрез ацетил -CoA като ключов входен продукт в цикъла на лимонената киселина.

Цикълът на лимонената киселина доставя електрони към електронна транспортна система, в която потокът от електрони е свързан със синтеза на АТФ и в по-малка степен доставя редуциращи еквиваленти към междинни биосинтетични системи. По принцип цикълът не може да протича по-бързо, отколкото позволява използването на генерирания АТФ. Ако целият ADP на клетката се преобразува в ATP, не би могло да има по-нататъшен поток от електрони от NADH, който се натрупва до 0 2 . Поради липсата на NAD+, необходим участник в процесите на дехидрогениране на цикъла, последният би престанал да функционира. Има по-фини регулаторни устройства, които модулират действието на ензимите в самия цикъл на лимонената киселина.

Сукцинат дехидрогеназата се намира във вътрешната митохондриална мембрана. Всички други ензими се разтварят в матрицата, която изпълва вътрешността на митохондриите. Измерванията на относителните количества на тези ензими и концентрациите на техните субстрати в митохондриите показват, че всяка реакция протича с еднаква скорост. След като пируватът (или друг потенциален източник на ацетил-КоА) навлезе в митохондриалната матрица, целият цикъл се извършва в това отделение.

В някои места стимулирането или инхибирането се определя от относителните концентрации на NADH/NAD, ATP/ADP или AMP, ацетил-CoA/CoA или сукцинил-CoA/CoA. Когато тези съотношения са високи, клетката е достатъчно снабдена с енергия и потокът през цикъла се забавя; когато те са ниски, клетката се нуждае от енергия и потокът през цикъла се ускорява.

Като необратима реакция, свързваща въглехидратния метаболизъм с цикъла на лимонената киселина, реакцията на пируват дехидрогеназа трябва да бъде добре контролирана. Това се постига по два начина. Първо, ензимът, който се активира от няколко посредника на гликолизата, се инхибира конкурентно от неговите собствени продукти, NADH и ацетил-CoA. Ceteris paribus, увеличаването на съотношението NADH/NAD + от 1 до 3 причинява 90% намаляване на скоростта на реакцията, а увеличаването на съотношението ацетил-CoA/CoA води до количествено подобен ефект. Ефектът се проявява моментално. Ефектите от друго регулаторно устройство се проявяват по-бавно, но продължават по-дълго. Около пет молекули пируват дехидрогеназа киназа са свързани с ядрото на всяка молекула дихидролипоилтрансацетилаза, която, благодарение на АТФ, катализира фосфорилирането на серинов остатък в а-веригата на пируват дехидрогеназния компонент. Тъй като е фосфорилиран, ензимът не е в състояние да декарбоксилира пирувата.

Когато настъпи окисление на мастни киселини, пируват дехидрогеназата се инхибира значително. Очевидно това явление се обяснява с високите концентрации на АТФ, ацетил-КоА и NADH, съпътстващи процеса на окисление. Повечето тъкани съдържат излишък от пируват дехидрогеназа, така че след хранене в черния дроб, както и в мускулите и мастната тъкан при животни в покой, само 40, 15 и 10% от пируват дехидрогеназата, съответно, е в активна, нефосфорилирана форма . Когато нуждата от ATP се увеличи, концентрациите на NAD +, CoA и ADP се увеличават поради използването на NADH, ацетил-CoA и ATP и киназата се инактивира. Фосфатазата обаче продължава да функционира чрез повторно активиране на дехидрогеназата. Увеличаването на Ca 2+ може да активира митохондриалната фосфатаза.

Синтезът на цитрат е стъпка, която ограничава скоростта на цикъла на лимонената киселина. Регулирането на този етап се дължи на малко, но значително инхибиране на цитрат синтетазата от NADH и сукцинил-КоА. Основното влияние върху скоростта на цитратния синтез се оказва от доставката на субстрата.

Активността на изоцитрат дехидрогеназата се регулира в зависимост от концентрациите на Mg 2+, изоцитрат, NAD +, NADH и AMP. В допълнение към местата за свързване на субстрата за NAD+, изоцитрат и Mg2+, ензимът също има положителни и отрицателни ефекторни места. Изоцитратът е положителен ефектор; неговото свързване е кооперативно, т.е. свързването на едно място улеснява свързването на други. И двете места на свързване на AMP стимулират ензимната активност.

Така ензимната активност се определя от съотношенията на NAD+/NADH и AMP/ATP.

AMP е положителен ефектор на α-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс, който в това отношение прилича на изоцитрат дехидрогеназата. В обхвата на физиологичните концентрации, както сукцинил-КоА, така и NADH имат инхибиторен ефект и концентрацията на сукцинил-КоА изглежда е основният фактор, контролиращ скоростта на процеса. Сукцинат дехидрогеназата наподобява изоцитрат дехидрогеназата по това, че субстратът (сукцинат) функционира като положителен алостеричен ефектор. Оксалоацетатът е мощен инхибитор, но не е ясно дали този контрол работи при нормални условия.

В цикъла на лимонената киселина четири водоразтворими витамина B изпълняват специфични функции.Рибофлавинът е част от FAD, който е кофактор на алфа-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс и сукцинат дехидрогеназата. Ниацинът е част от NAD, който е коензимът на три цикъла на дехидрогеназите: изоцитрат дехидрогеназа, алфа-кетоглуторат дехидрогеназа и малат дехидрогеназа. Тиамин (витамин B1) е част от тиамин дифосфат, който е коензим на алфа-кетоглутарат дехидрогеназата. Пантотеновата киселина е част от коензим А, който е кофактор, който свързва активните ацилни остатъци.

Макроергични съединения и макроергични връзки.

В клетките, освободена в резултат на катаболни процеси на разграждане на хранителни вещества, свободната енергия може да се използва за извършване на много химични реакции, които изискват енергия. Съхраняването на енергия става под формата на богати на енергия химични връзки на специален клас съединения, повечето от които са фосфорни анхидриди (нуклеозидни трифосфати).

Има високоенергийни и нискоенергийни фосфати. Условната граница за тези две групи съединения е стойността на свободната енергия на хидролиза на фосфатната връзка. Следователно високоенергийните фосфати имат богата на енергия високоенергийна (макроергична) връзка.

Енергията на връзката се определя като разликата между свободните енергии на съединенията, съдържащи тази връзка, и съединенията, получени в резултат на нейното разкъсване. За макроергични (богати на енергия) връзки се считат тези връзки, при хидролизата на които промените в свободната енергия на системата са повече от 21 kJ / mol.

Централната роля в енергийния обмен на всички видове клетки играе системата от аденинови нуклеотиди, която включва АТФ, АДФ и АМФ, както и неорганични фосфатни и магнезиеви йони. ATP е термодинамично нестабилна молекула и се хидролизира, за да образува ADP и AMP. Именно тази нестабилност позволява на АТФ да функционира като носител на химическата енергия, необходима за задоволяване на повечето от енергийните нужди на клетките. Съединения с богата на енергия връзка, в допълнение към ATP, включват също UTP, CTP, GTP, TTP, креатин фосфат, пирофосфат, някои тиоетери (например ацетил-CoA), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и редица други съединения.

По време на хидролизата на АТФ при стандартни условия промяната в свободната енергия е -30,4 kJ/mol. При физиологични условия реалната свободна енергия на хидролиза на крайната фосфатна връзка на АТФ ще бъде различна и ще се доближава до -50,0 kJ/mol.

Има няколко варианта за освобождаване на енергията на АТФ фосфатните връзки. Основният вариант е разцепването на крайния фосфат на АТФ (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Друга възможност е пирофосфатното разцепване на АТФ (АТФ + Н20 ® АМР + Н 4 Р 2 О 7). Този тип реакция се използва много по-рядко в биохимичните процеси.

Натрупването на енергия в специфични фосфатни връзки на АТФ е в основата на механизма на енергиен трансфер в живата клетка. Има причина да се смята, че има три основни вида трансфер на енергия от АТФ в клетката:

в енергията на химичните връзки, в топлинната енергия и енергията, изразходвана за извършване на работа (осмотична, електрическа, механична и др.).

витамин ПП .

Витамин РР (никотинова киселина, никотинамид, ниацин) се нарича антипелагичен витамин (от италиански Preventive pellagra - „предотвратяване на пелагра“), тъй като липсата му е причината за заболяването, наречено пелагра.

Никотиновата киселина е известна отдавна, но едва през 1937 г. тя е изолирана от K. Elveheim от екстракт от черен дроб и е показано, че въвеждането на никотинова киселина (или нейния амид - никотинамид) или чернодробни препарати предотвратява развитието или лекува пелагра.

Никотиновата киселина е пиридиново съединение, съдържащо карбоксилна група (никотинамидът се отличава с наличието на амидна група).

Витамин РР е слабо разтворим във вода (около 1%), но силно разтворим във водни разтвори на основи. Никотиновата киселина кристализира като бели игли.

Най-характерните признаци на пелагра (от италиански pelle agra - груба кожа) са кожни лезии (дерматит), стомашно-чревния тракт (диария) и нарушения на нервната дейност (деменция).

Дерматитът най-често е симетричен и засяга онези участъци от кожата, които са изложени на пряка слънчева светлина: гърба на ръцете, шията, лицето; кожата става червена, след това кафява и груба. Чревните лезии се изразяват в развитието на анарексия, гадене и болка в корема, диария. Диарията води до дехидратация. Лигавицата на дебелото черво първо се възпалява, след това се разязвява. Специфични за пелагра са стоматит, гингивит, лезии на езика с оток и пукнатини. Мозъчните лезии се изразяват в главоболие, световъртеж, раздразнителност, депресия и други симптоми, включително психози, психоневрози, халюцинации и др. Симптомите на пелагра са особено изразени при пациенти с недостатъчно протеиново хранене. Установено е, че това се дължи на липсата на триптофан, който е предшественик на никотинамида, частично синтезиран в тъканите на човека и животните, както и липсата на редица други витамини.

Витамин РР играе ролята на коензим в NAD-зависимите дехидрогенази (участници в тъканното дишане), метаболизма на въглехидратите и аминокиселините, NADP-зависимите ензими (пентозен шунт и липиден синтез), HMH-зависимите ензими (алкохол дехидрогеназа и ябълчен ензим). Не по-малко важна е ролята му като субстрат за поли-АДФ-рибозилиране. Този процес участва в омрежването на хромозомните разкъсвания и в работата на системата за репараза, а също така (при липса на NAD) е от ключово значение в механизма на некробиозата и апоптозата на клетките, особено силно аеробните.

Доказано е, че редица дехидрогенази използват само NAD или NADP, докато други могат да катализират редокс реакции в присъствието на някоя от тях. В процеса на биологично окисление NAD и NADP действат като междинни носители на електрони и протони между окисления субстрат и флавиновите ензими.

Основните източници на никотинова киселина и нейния амид са ориз, хляб, картофи, месо, черен дроб, бъбреци, моркови и други храни.

микрозомално окисление.

монооксигеназни реакции.

Живите организми съдържат група от многобройни и разнообразни ензими, наречени монооксигенази. В типичен случай един атом от кислородната молекула се намира в новата хидроксидна група на субстрата, другият се редуцира до вода по време на реакцията. Съответно реакцията трябва да протича с участието на ензима, субстрата, кислорода и някакъв редуциращ агент.

Допамин-b-монооксигеназата, присъстваща в мозъка и хромафиновата тъкан, катализира хидроксилирането на 3,4-диоксифенилетиламин до норепинефрин.

Фенол монооксигеназите се намират в бактерии, растения, насекоми, а също и в черния дроб и кожата на бозайниците. Полимеризацията на о-хинон, образуван в резултат на верига от реакции, катализирани от тези ензими, е в основата на образуването на меланин.

диоксигеназни реакции.

Ензимите, които катализират реакции, при които и двата молекулни кислородни атома са включени в реакционните продукти, се наричат ​​диоксигенази. Понастоящем известните ензими от тази група могат да съдържат хем или нехем желязо като активна група, а някои изискват α-кетоглутарат за своето действие.

Желязо-a-кетоглутарат диоксигеназите са желязо-зависими ензими, които катализират субстратното хидроксилиране по време на процеса, при който a-кетоглутаратът претърпява окислително декарбоксилиране до сукцинат: M + O2 + a-кетоглутарат M-OH + сукцинат + CO2

Цитохромите са ензими от редокс веригата.

По-нататъшното прехвърляне на електрони от KoQH2 към O2 се извършва от цитохромната система. Тази система се състои от редица протеини, съдържащи хем (хемпротеини), открити през 1886 г. от К. Макмън. Всички те имат простетична хем група, близка до хема на хемоглобина. Цитохромите се различават един от друг не само по протетичната група, но и по протеиновите компоненти. Всички цитохроми, особено в редуцирана форма, имат характерни спектри на абсорбция, стойностите на редокс потенциалите също не са еднакви.

В широко използвания механизъм на хидроксилиране чрез въвеждане на един кислороден атом, функционалният железен атом е разположен в хем групата на цитохрома, цитохром Р450. Тези цитохроми се намират в мембраните на чернодробния ER, в митохондриите на надбъбречната кора, в границата на бъбречната четка и в плазмени мембраниразлични бактерии. Катализираната реакция е същата като при всички други монооксигенази.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Цитохромите P450 от черния дроб са сред индуцируемите ензими; това означава, че количеството на наличния ензим може да се увеличи 25 пъти чрез прилагане на едно от многото чужди съединения като фенобарбитал или метилхолантрен. Цитохромите неутрализират ксенобиотиците и също така ограничават времето, през което някои лекарства могат да останат активни. Лечението на някои форми на остра интоксикация може да бъде улеснено чрез прилагане на индуктор, който в този случай е като цяло безвреден.

Цитохромите P450 на надбъбречната кора се намират в митохондриалната мембрана, където два отделни ензима катализират, съответно, разцепването на страничните вериги на холестерола до прегненолон и реакциите на хидроксилиране на различни стероиди.

Цитохром Р450 катализира образуването на хидроксилни групи по време на синтеза на жлъчни киселини, стероидни хормони, по време на катаболизма на редица вещества и обмена на чужди съединения.

Първата електрон-носеща система, открита в микрозомите, е редукционната система на цитохром b5, дължаща се на NADH; цитохром b5 се редуцира от NADH-цитохром b5-редуктаза, която съдържа един FAD на молекула, което прави циклични преходи между напълно редуцирани и окислени форми. Цитохром b5 е силно свързан с ER чрез неговия обширен хидрофобен регион. Въпреки че външната повърхност на хемовата област на цитохрома е хидрофилна, тя лежи в дълбока хидрофобна празнина, с карбоксилни групи на пропионовата киселина, ориентирани навън. Редуцираният цитохром b5 бавно се самоокислява, за да образува супероксидния анион. Този механизъм може да е основният генератор на супероксид в чернодробните клетки.

Пероксидазен начин за използване на кислород.

Молекулярният кислород е парамагнитен, тъй като съдържа два несдвоени електрона с успоредни спинове. Тези електрони са в различни орбитали, защото два електрона не могат да заемат една и съща орбитала, освен ако спиновете им не са противоположни. Съответно, редуцирането на кислород чрез директно въвеждане на двойка електрони в неговите частично запълнени орбитали е невъзможно без "обръщане" на спина на един от двата електрона. Инхибирането на въртенето на редукция може да бъде преодоляно чрез последователни добавяния на единични електрони. Пълното редуциране на O2 до 2H2O изисква 4 електрона; при едноелектронната редукция супероксидът, водородният пероксид и хидроксидният радикал се появяват като междинни продукти. Тези продукти са силно реактивни и тяхното присъствие може да представлява заплаха за целостта на живите системи. Всъщност OH, най-мутагенният продукт на йонизиращото лъчение, е изключително мощен окислител, който може да атакува всички органични съединения. Редукцията на кислород с един електрон инициира верига от реакции, които водят до образуването на ОН:

O2 + e ® O2 (1)

O2 + H ®HO2 (2)

O2 + HO2 + H ® H2O2 + O2 (3)

Супероксидният анион, образуван в реакция (1), може да бъде протониран до хидропероксиден радикал (2). Реакция (3) е спонтанна дисмутация, водеща до образуването на H2O2 + O2. Съвкупността от тези реакции предполага, че всяка система, произвеждаща O2, скоро ще съдържа и H2O2.

Ксантиноксидазата, алдехидоксидазата и множество флавопротеини образуват О2 и Н2О2, което също се случва по време на спонтанното окисляване на хемоглобина, фередоксини, хидрохинони, редуцирани от цитохром b5, тетрахидроптеридини и адреналин. Заплахата за клетките, произтичаща от реактивността на O2 и H2O2, се елиминира чрез действието на ензими, които ефективно неутрализират тези съединения.

Ензимна антиоксидантна защита.

Супероксид дисмутазакатализират реакцията

O2 + O2+ 2H® H2O2 + O2

Тези ензими се намират във всички респираторни клетки, както и в различни факултативни анаеробни бактерии. Супероксиддисмутазите са металоензими. Техният каталитичен цикъл включва редукция и окисление на метален йон, като Cu, Mn или Fe, в активното място.

Каталазна активност се наблюдава в почти всички животински клетки и органи. Черният дроб, червените кръвни клетки и бъбреците са богати източници каталаза. Тази активност също се открива във всички растителни материали и в повечето микроорганизми, с изключение на облигатните анаероби. Във всеки случай каталазата вероятно предотвратява натрупването на вредния H2O2, образуван по време на аеробното окисляване на редуцирани флавопротеини и от O2. Една молекула каталаза може да разложи 44 000 молекули H2O2 за секунда. Всъщност ензимът не изисква почти никаква енергия за активиране и скоростта на реакцията се определя изцяло от дифузията. Каталазата реагира с H2O2, за да образува относително стабилен комплекс ензим-субстрат.

Въпреки че пероксидазите са относително редки в животинските тъкани, слаба пероксидазна активност е установена в черния дроб и бъбреците. Левкоцитите съдържат вердопероксидаза, която е отговорна за пероксидазната активност на гнойта. Фагоцитните клетки съдържат миелопероксидаза, която окислява халогенните йони, като I, до свободен халоген, ефективен бактерициден агент.

Реакциите на каталаза и пероксидаза могат да бъдат записани по следния начин:

НО О, О

Неензимна антиоксидантна защита.

Аскорбинова киселина (витамин С).

Витамин С лесно се окислява до дехидроаскорбинова киселина, която е нестабилна в алкална среда, в която лактонният пръстен се хидролизира до образуване на дикетогулонова киселина.

Аскорбиновата киселина е от съществено значение за различни биологични окислителни процеси. Витаминът активира окислението на n-хидроксифенилпирогроздена киселина от чернодробните хомогенати. В присъствието на кислород разтворите, съдържащи феро-йони и аскорбат, катализират хидроксилирането на редица съединения. Витаминът е антиоксидант, участва в метаболизма на фенилаланин, тирозин, пептидни хормони, в синтеза на мазнини и протеини, необходим е за образуването на колаген, спомага за поддържане целостта на съединителната и остеоидната тъкан, има антиканцерогенно действие, предотвратявайки образуване на канцерогенни нитрозамини, участва в разпределението и натрупването на желязо.

Витамин Е.

Витаминът е изолиран от масло от пшеничен зародиш през 1936 г. и е наречен токоферол. Седем токоферола, получени от изходното съединение токол, се намират в естествени източници; сред тях а-токоферолът има най-голямо разпространение и най-висока биологична активност. Токоферолите се обозначават с гръцки букви: алфа, бета, гама и делта.

Витаминът предпазва клетъчните структури от разрушаване от свободните радикали, участва в биосинтезата на хема, предотвратява тромбозата, участва в синтеза на хормони, поддържа имунитета, има антиканцерогенен ефект и осигурява нормалното функциониране на мускулите.

Фигура 6. Механизмът на действие на витамина.

Тъканите на животните с дефицит на витамин Е, особено сърдечните и скелетните мускули, консумират кислород по-бързо от тъканите на нормалните животни. а-токоферолът не се подлага лесно на обратимо окисление. Повишената консумация на кислород от мускулите при недостиг на витамини очевидно е свързана с пероксидно окисление на ненаситени мастни киселини. В други тъкани, като черния дроб, това води до нарушаване на митохондриалната структура и намалено дишане. Има доказателства, че пероксидното окисление на ненаситени мастни киселини в ендоплазмения ретикулум на мускулните клетки води до освобождаване на лизозомни хидролази, което води до мускулна дистрофия. Всички прояви на витаминен дефицит са вторични явления, дължащи се на липсата на инхибиране на пероксидното окисление на полиненаситените мастни киселини.

Безплодието е класическа проява на дефицит на витамин Е при лабораторни животни. При мъжете най-ранният наблюдаван признак за дефицит е неподвижността на спермата. Наблюдават се и редица други промени: дегенерация на епитела на бъбречните тубули, депигментация на предните зъби. Друга проява на дефицит на витамин Е е хемолизата на еритроцитите in vitro в присъствието на пероксиди или производни на алоксан. При плъхове с продължителен витаминен дефицит се развива мускулна дистрофия със симптоми на прогресивна парализа на задните крайници, съдържанието на креатин в мускулите намалява, възниква креатинурия и отделянето на креатинин леко намалява. Дефицитът на витамин А може да се развие и поради окислително разграждане на последния поради липса на витамин с антиоксидантни свойства в диетата. Симптомите на хипервитаминозата са гадене, виене на свят и тахикардия.

витамин R.

Витамин Р (рутин, цитрин) е изолиран през 1936 г. от A. Szent-Györgyi от лимонова кора. Терминът "витамин Р" обединява група от вещества с подобна биологична активност: катехини, халкони, флавини и др. Всички те имат Р-витаминна активност и тяхната структура се основава на дифенилпропановия въглероден "скелет" на хромон или флавон (на общоприетото име е „биофлавоноиди“).

Биофлавоноидите стабилизират основното вещество на съединителната тъкан чрез инхибиране на хиалуронидазата, което се потвърждава от данни за положителния ефект на препарати с витамин Р, както и аскорбинова киселина, върху профилактиката и лечението на скорбут, ревматизъм, изгаряния и др. Тези данни показват тясна функционална връзка между витамините С и Р в окислително - възстановителните процеси на организма.

При недостиг на биофлавоноиди или тяхното отсъствие в храната се увеличава пропускливостта на кръвоносните съдове, придружено от кръвоизливи и кървене, обща слабост, умора и болка в крайниците.

Основните източници на витамин са растителните храни (по-специално зеленчуците и плодовете), които съдържат много витамин С. Витаминната индустрия произвежда редица препарати с Р-витаминна активност: чаени катехини, рутин, хесперидин, нарингин и др.

Заключение.

Проблемът, подчертан в тази работа, днес е много важен раздел в биохимията, където въпреки постигнатия напредък остават много въпроси и пропуски.

Познаването на въпросите на биоорганичната химия е необходимо и важно в практиката на всеки лекар, тъй като активното развитие на фармакологията и появата на много нови лекарства позволява, познавайки биохимията на процесите, протичащи в тялото, да ги повлияе и да лекува много заболявания на клетъчно ниво, стимулиране на енергийните процеси на ниво митохондрии.

Всяка внезапна смърт е свързана с хипоксия, която е придружена от натрупване на голямо количество млечна киселина в тялото поради потискане на функцията на совалковите механизми и в резултат на това възниква ацидоза. По време на хипоксия свободните радикали се образуват за неопределено време и липидната пероксидация протича интензивно, последвана от необратимо увреждане на клетките. Изследването на нарушенията на механизмите на биологично окисление и методите за корекция е важно при лечението на патологии на сърдечно-съдовата и дихателната системи, свързани с възрастта патологии и възпаления. Това знание е от особено значение при реанимация, по време на анестезия, тъй като нивото на млечна киселина се повишава значително по време на операции под анестезия, например с кетамин или етран, под въздействието на наркотични вещества, процесите на окисляване и фосфорилиране са отделени. Ето защо е толкова важно да имате на разположение най-пълните знания и информативни данни, оценката на които може да осигури максимални възможности за прогнозиране на хода на заболяването.

Библиография:

1. Албертс Б., Брей Д., Люис Дж., Раф М., Робъртс К., Уотсън Дж. Молекулярна биология на клетката: В 3 тома, 2-ро изд., пер. и доп. Т.1. пер. от английски. - М.: Мир, 1994 - 517 с., ил.

2. Бишевски А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия за лекаря. Екатеринбург: Издателско-печатно предприятие "Уралски работник". - 1994 г. - 384 с.

3. Виноградов A.D. Митохондриална АТФ-синтезираща машина: петнадесет години по-късно.//Биохимия. - 1999 - Т.64. Брой 11 - с.1443-1456

4. Галкин М.А., Сироешкин А.В. Кинетичният механизъм на реакцията на синтез на АТФ, катализирана от митохондриалната F 0 -F 1 -ATPase.//Биохимия. - 1999 г. - Т.64.Брой 10 - стр.1393-1403

5. Гринщайн Б., Гринщайн А. Визуална биохимия. - М .: "Медицина" 2000 - стр.68-69, 84-85

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основи на общата патология. Част 2. Основи на патохимията. - Санкт Петербург. – 2000 г. – 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологични системи на човека. - М .: "Триада-Х" - 2000 г. - с.156-164

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика на дефицит на витамини и микроелементи при деца (справочно ръководство за лекари). – Москва, 2000 г

9. Lehninger A. Основи на биохимията. - М .: Мир - 1991 - 384 с.

10. Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Човешка биохимия: V2 vol.

11. Николаев А.Я. Биологична химия. Proc. за мед. специалист. Университети - М .: Висше училище. - 1989 - 495s.

12. Рябов Г.А. Хипоксия на критични състояния. – М.: Медицина. - 1992 г. - 288 с.

13. Самарцев V.N. Мастни киселини като разединители на окислително фосфорилиране // Биохимия. - 2000 г. - Т.65.Брой 9 - стр.1173-1189

14. Скулачев В.П. Кислородът в живата клетка: доброто и злото.// Сорос Образователен вестник. - 1996 - № 3 - с.4-10

15. Скулачев В.П. Еволюция на биологичните механизми за съхранение на енергия.// Сорос образователен журнал. - 1997 - № 5 - с.11-19

16. Скулачев В.П. Еволюционни стратегии и кислород.// Природа. - 1998 - № 12 - с.11-20

17. Тутелян В.А., Алексеева И.А. Антиоксидантни витамини: осигуряване на населението и значение за профилактиката на хроничните заболявания.// Клинична фармакология и терапия. – 1995 г. - №4 (1) – с.90-95

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основи на клиничната витаминология. - Л .: Медицина - 1989 - 343 с.

В процеса на метаболизма хранителните продукти (въглехидрати, липиди) претърпяват катаболизъм.

катаболизъм- това е процесът на разделяне на високомолекулни вещества до нискомолекулни вещества, който протича с освобождаването на енергия. В процеса на катаболизъм структурата на макромолекулните вещества се опростява.

Освободената в процеса на катаболизъм енергия се използва за синтеза на нови вещества, т.е. по време на анаболизъм.

Взаимодействието на трансформацията на материя и енергия се нарича метаболизъм.

Процесите на окисляване протичат в тялото и извън него. Тези процеси имат прилики и разлики.

Прилики между окисляването в тялото и извън тялото.

1. В резултат на окисляването се образуват същите крайни продукти CO 2 и H 2 O.
2. Отделя се същото количество енергия.

Разлики между окислението в тялото и извън тялото.

1. Извън тялото енергията се освобождава поради окисляването на въглеродните атоми, а в тялото поради окисляването на водородните атоми.

1. Извън тялото кислородът се свързва с окисления субстрат. В тялото кислородът не се свързва със субстрата.
2. Извън тялото енергията се освобождава едновременно и не се натрупва, т.е. не се запасява. В тялото енергията се освобождава на порции, “каскадно” и акумулирана (съхранена). „Каскадното“ освобождаване на енергия предпазва клетката от прегряване.
3. Основната реакция на окисление в организма е реакцията на дехидрогениране, т.е. елиминиране на водород (протони). Спомагателни реакции са реакциите на дехидратация и декарбоксилиране.
4. Процесът на окисляване в организма е многоетапен, ензимен процес.

Процесът на окисление на субстратите в биологичните обекти се нарича биологично окисление.

Видове биологично окисление.

1. тъканно дишане
2. окисление на субстрата

Тъканното дишане е многоетапен ензимен процес, при който кислородът е крайният акцептор на електрони.

В процеса на тъканно дишане участват ензими - оксидоредуктази, които образуват дихателната верига.

Дихателната верига е комплекс от оксидоредуктази, участващи в преноса на протони и електрони от окисления субстрат към кислорода.

Дихателната верига е разположена в митохондриалните кристи.

Структурата на дихателната верига.

Дихателната верига включва 4 групи ензими:

1. Пиридин-зависими дехидрогенази - коензимът е НАД, НАДФ.

2. Флавин-зависими дехидрогенази - коензимът е FAD, FMN.

3. Коензим Q или убихинон.

4. Цитохроми b, c, a, a 3.

Цитохромите са хем протеини, съдържащи хем като непротеинова част. Хемът съдържа железен атом, който може да промени степента си на окисление от +3 на +2 чрез получаване или даряване на електрон.

Дихателната верига се състои от две части:

1. Място, включващо пиридин-зависими дехидрогенази - коензим Q осигурява преноса на протони и електрони. На нивото на коензим Q протоните отиват в средата на митохондриите, т.к Цитохромите са структурно способни да пренасят само електрони.

2. Раздел от цитохроми, който осигурява преноса само на електрони.

Основното значение на цитохромната система е прехвърлянето на електрони от окислен субстрат към молекулярен кислород с образуването на вода:

Схема на електронен и протонен транспорт по дихателната верига.

Два протона и два електрона се прехвърлят по дихателната верига от окисления субстрат към кислорода.

Коензимите на дихателната верига, приемащи протони и електрони, се превръщат в редуцирана форма и даряването им отново се превръща в окислена форма.

Движещата сила, която осигурява преноса на протони и електрони от субстрата към кислорода, е разликата в редокс потенциалите. В дихателната верига се наблюдава повишаване на редокс потенциала (от -0,32 до +0,81 в O 2)

За синтеза на една макроергична връзка на АТФ, редокс потенциалната разлика между участъците на дихателната верига е приблизително 0,22 V на двойка прехвърлени електрони.

Дължината на дихателната верига (броят на ензимите) може да бъде различна и зависи от естеството на окисления субстрат.

За клетката е важно молекулата на кислорода, след като добави 4 електрона, да бъде напълно възстановена до две водни молекули. При непълна редукция на кислорода, при присъединяване на два електрона се образува водороден прекис, а при присъединяване на един електрон - супероксиден радикал. Водородният пероксид и супероксидният радикал са токсични за клетката, т.к щета клетъчни мембрани, взаимодействайки с остатъците от ненаситени мастни киселини на мембранните липиди.

Аеробните клетки се защитават от действието на пероксида и супероксида с помощта на два ензима: супероксид дисмутаза и каталаза.

Начини за използване на енергията на преноса на електрони.

Когато двойка електрони се прехвърля, настъпва промяна в свободната енергия и тази енергия се използва по два начина:

1. Енергията на преноса на електрони се използва за синтеза на АТФ.

2. Енергията на преноса на електрони се използва за генериране на топлина.

Когато двойка електрони се прехвърля по дихателната верига, настъпва промяна в свободната енергия, равна на 52,6 kcal. Тази енергия е достатъчна за синтеза на 3 молекули АТФ. Синтезът на три АТФ молекули при стандартни условия изисква разход на kcal.

В три точки на пренос на електрони настъпва най-голямата промяна в свободната енергия и тези точки се наричат ​​точки на конюгиране на тъканно дишане и окислително фосфорилиране.

Окислителното фосфорилиране е процес на ресинтез на АТФ от ADP и Fn, свързан с тъканното дишане.

Точките за сдвояване се намират в зоните:

1. ПРЕВЪРШЕН/ПРЕВЪРШЕН

3. c a / a 3 O 2

Точките на конюгиране са постоянни, но техният брой зависи от естеството на окисления субстрат.

По време на окислението на NAD - зависимите субстрати се осъществяват 3 точки на конюгиране, т.е. 3ATP се освобождава, когато FAD-зависимите субстрати се окисляват, възникват 2 точки на конюгация и се освобождават 3 ATP, когато цитохром-зависимите субстрати се окисляват, количеството на ATP зависи от това върху кой цитохром се изхвърлят електроните: когато електроните се изхвърлят върху цитохрома b, 2ATP се освобождава в процеса на окислително фосфорилиране, а върху цитохром c - 1ATP.

Коефициентът на фосфорилиране е съотношението P / O като индикатор за конюгацията на дишането и фосфорилирането.

Установено е, че когато се абсорбира един кислороден атом (или когато двойка електрони се прехвърля от субстрата към кислорода), не се абсорбира един атом неорганичен фосфат, а около три, т.е. коефициентът P / O е приблизително равен на 3. Т.е. има най-малко три точки на свързване в дихателната верига, където неорганичният фосфат участва в образуването на АТФ.

Процесът на биологично окисление може да не е придружен от синтеза на АТФ.

Окисляването, което не е придружено от синтеза на АТФ, се нарича свободно окисление. В този случай енергията се освобождава под формата на топлина. Това може да се наблюдава под действието на токсини и е придружено от повишаване на телесната температура.

Причини за нарушаване на биологичното окисление.

1. Липса на окислителни субстрати (въглехидрати, липиди, т.е. храна).

2. Нарушаване на работата на ензимите в дихателната верига:

1. Апоензимен дефект (синтезът на протеиновата част на ензима е нарушен).

2. Коензимен дефект (нарушен синтез на коензими поради липса на витамини B 2, B 5, K).

3. Липса на кислород.

4. Действие на инхибиторите.

Аминобарбиталът инхибира преноса на протони и електрони в мястото на NAD / FAD, окислението на NAD-зависимите субстрати спира.

Антимицинът инхибира преноса на електрон на мястото на цитохром b, цитохром c.

Цианадите инхибират преноса на електрон в мястото на цитохромоксидазата/кислорода.

При повечето физиологични условия преносът на електрон е свързан с окислително фосфорилиране.

Редица съединения могат да причинят разединяване на тъканното дишане и окислителното фосфорилиране. Разединители на тези процеси са следните съединения: 2,4 - динитрофенол, тиреоиден хормон - тироксин, дикумарин и неговите производни, мастни киселини.

Разединяването на окислителното фосфорилиране и тъканното дишане може да бъде биологично полезно. Разединяването е начин за генериране на топлина за поддържане на телесната температура при хиберниращи животни и адаптирани към студ бозайници. Мастните киселини, които се натрупват в кафявата мастна тъкан, действат като разединител. Новородените също имат такава кафява мазнина, която позволява поддържането на телесната температура с все още несъвършена система за терморегулация.

При пациенти с хиперфункция на щитовидната жлеза се наблюдава повишаване на телесната температура, което се дължи на разединяването на процесите на тъканно дишане и окислителното фосфорилиране, причинено от тироксин.

При недостиг на кислород в тъканите процесът на тъканно дишане е затруднен и в тъканите настъпва окисление на субстрата.

Окислението на субстрата е процес на окисление, при който крайният акцептор на електрони е субстратът, а не кислородът.

Окислението на субстрата е авариен източник на енергия при липса на кислород.

Липсата на кислород (хипоксия) възниква в организма, когато физическа работа, при изкачване на планини, спускане под вода, със заболявания на дихателната система, сърдечно-съдовата система и хемопоетичната система.

Окисляването на субстрата е енергийно по-неблагоприятно от тъканното дишане, тъй като редокс потенциалите на субстратите се различават незначително.

В тялото, наред с окислителното фосфорилиране, процесът на отдаване на енергия е субстратно фосфорилиране.

Субстратното фосфорилиране е процес на образуване на макроергични съединения, дължащи се на макроергичните връзки на субстрата.

Най-важното макроергично съединение е АТФ.

Енергията на макроергичните връзки се акумулира в редица съединения: креатин фосфат, 1,3-дифосфоглицерат, GTP и др.

биологично окисление

Тъканно дишане Свободно окисление Окисление на субстрата

Свързани с енергетиката

окислително секретиран

фосфорилиране като топлина

Освобождава се енергия

под формата на АТФ

Фосфорилиране

Окислително фосфорилиране Субстратно фосфорилиране

свързани с митохондриални мембрани, които не са свързани с мембрани

митохондриите

По едно време някои разединяващи агенти се опитваха да се борят със затлъстяването чрез намаляване на ефективността на синтеза на АТФ. Но тези вещества се оказаха изключително токсични и затова употребата им беше изоставена.

Има и друга група вещества като йонофори, т.е. йонни носители. Това са мастноразтворими вещества, които могат да свързват определени йони и да ги пренасят през мембраната. Йонофорите се различават от разединителите по това, че йонофорите не пренасят водородни йони през мембраната, а някои други катиони. Например, токсичният антибиотик валиномицин образува мастноразтворим комплекс с K + йони, който лесно преминава през вътрешната митохондриална мембрана, докато при липса на валиномицин K + йони проникват трудно. Грамицидиновият йонофор улеснява проникването на K + и Na + йони.

Йонофорите и разединителите потискат окислителното фосфорилиране чрез увеличаване на пропускливостта на мембраната за H +, K + или Na + йони.

Окислително фосфорилиране

CPE ензимите са фиксирани в митохондриалната мембрана и тяхното действие се характеризира не само с величина, но и с пространствена ориентация, т.е. действайте векторно.

Проява на векторизъм е прехвърлянето на Н + йони от вътрешната страна на мембраната (от страната на матрицата) към външната. От NADH електроните преминават към FMN, а протоните се освобождават от вътрешността на мембраната. Протоните, необходими за намаляване на FMN, идват от матрицата. На следващия етап електроните от FMN H 2 преминават към убихинон, а протоните - към междумембранното пространство; убихинонът получава протони от матрицата и т.н. CPE работи като протонна помпа, изпомпвайки H+ йони от матрицата към външната страна на мембраната. В резултат на това се появява разлика в концентрациите на протони отстрани на мембраната и в същото време разлика в електрическите потенциали със знак + на външната повърхност.

Електрохимичният потенциал кара протоните да се движат в обратна посока – от външната повърхност навътре. Движението на протоните преминава през протонни канали, където се намира АТФ-аза, катализирайки реакцията:

ADP + H 3 RO 4 \u003d ATP + H 2 O

АТФ с участието на транслоказа идва от матрицата до външната страна на мембраната и след това към цитозола.

Хипотезата на Мичъл

Според тази хипотеза веригата за пренос на електрони е помпа, която изпомпва H + йони. Енергията, освободена от преноса на електрони, се използва за преместване на H + йони извън митохондриалната матрица, което води до електрохимичен H + - градиент с по-висока концентрация на H + йони във външната водна фаза. Същият процес води до появата на трансмембранен електрически потенциал - външната страна на мембраната се оказва електроположителна. Йони H + от околен святотново се втурнете навътре, т.е. в митохондриалната матрица, този път по електрохимичен градиент. Този преход на Н + йони от зона с по-висока към зона с по-ниска концентрация е придружен от освобождаване на свободна енергия, поради което се синтезира АТФ.

Електрохимичен H + -градиент с по-висока концентрация на H + върху външната мембрана.

Трансмембранен електрически потенциал – външната мембрана е положително заредена, а вътрешната – отрицателно.

H + йони от околната среда преминават вътре в митохондриите по електрически градиент и този процес е придружен от освобождаване на свободна енергия, която отива за синтеза на АТФ.

Обмяната на въглехидрати.

Метаболизмът на въглехидратите в човешкото тяло се състои от следните процеси:

1. Разцепване в стомашно-чревния тракт до монозахариди на полизахариди от храна с храна на полизахариди и дизахариди. Абсорбция на монозахариди от червата в кръвта.

2. Синтез и разграждане на гликоген.

3. Анаеробно окисление на глюкозата. В тъканите има два основни пътя за разграждане на глюкозата: анаеробният път на гликолиза, който протича без консумация на кислород, и аеробният път на директно окисление на глюкозата или пентозофосфатният път.

4. Аеробен метаболизъм на пируват, включително окислително декарбоксилиране на пируват и превръщане на ацетил-КоА в ТСА.

5. Глюкогенезата, т.е. образуването на въглехидрати от невъглехидратни продукти, като пируват, лактат, глицерол, аминокиселини.

Обмяната на въглехидрати.

Стойността на въглехидратите в тялото:

1. Въглехидратите са основният енергиен материал.

2. Въглехидратите изпълняват пластична функция. Те включват пентози на нуклеотиди и гликопротеини, хетерополизахариди на междуклетъчното вещество.

3. Въглехидратите могат да се превърнат в липиди и някои аминокиселини.

Източник на въглехидрати в организма са хранителните въглехидрати - нишесте, захароза и лактоза. В допълнение, глюкозата може да се образува в тялото от аминокиселини, глицерол.

Хранителните въглехидрати в храносмилателния тракт се разграждат на мономери. Хидролазите участват в храносмилането.

Специфични хидролази: малтаза, сукраза, лактаза се произвеждат от чревните клетки и се съдържат в чревния сок.

Продуктите от пълното смилане на въглехидратите - глюкоза, галактоза и фруктоза - навлизат в кръвта през чревните клетки. Когато се абсорбират от червата в кръвта, монозахаридите проникват през клетъчните мембрани чрез улеснена дифузия и чрез активен транспорт. Активният транспорт позволява транспортирането на монозахариди срещу градиент на концентрация и следователно може да функционира, когато концентрацията на глюкоза или галактоза в червата е ниска.

Най-важните захари портална венапопадат в черния дроб, където има трансформация fru и gal в glu.

Гликолиза.

Гликолизата (от гръцки glykys - сладък, lysis - разпадане) е един от централните пътища на катаболизма на глюкозата.

Гликолизата разгражда шествъглеродната молекула пируват. Първите пет етапа представляват подготвителния етап на гликолизата. Продуктът от първия етап на гликолизата е глицералдехид-3-фосфат. Подготвителната стъпка на гликолизата служи за превръщане на въглеродните вериги на всички метаболизирани хексози в един общ продукт, глицералдехид-3-фосфат.

Вторият етап на гликолизата, също състоящ се от 5 ензимни реакции, е придружен от образуването на енергия.

етапи на гликолиза.

I. 1. Фосфорилиране на глюкоза: реакцията протича необратимо, катализира се от хексокиназа и изисква консумация на АТФ:

Необратимите реакции са реакции, които протичат в права посока под действието на един ензим и в обратна посока под действието на друг.

Свързването на хексогеназата с хексозата се извършва според вида на индуцираното съответствие: ензимната молекула претърпява конформационни промени. Хексокиназната активност се инхибира от глу-6-фосфат.

Друга форма на ензима, глюкокиназата, присъства в черния дроб. Глюкокиназата е специфична за D-глюкоза. Чернодробната глюкокиназа действа, когато концентрацията на глюкоза се повиши, например след хранене, богато на въглехидрати.

Гликолизата включва 3 различни вида химични трансформации:

1. Разграждането на въглеродния скелет на глюкозата с образуването на пируват (пътят на въглеродните атоми).

2. Фосфорилиране на ADP от високоенергийни фосфорилирани съединения с образуването на ATP (път на фосфатна група).

3. Пренос на водородни атоми или електрони.

Ензимите, които катализират гликолизата, са локализирани в цитозола.

Ензимите, които катализират онези етапи на окисление на въглехидратите, които изискват присъствието на O 2, са локализирани в митохондриалните мембрани.

При тези условия глюкокиназата действа върху излишната кръвна глюкоза и я превръща в глюкозо-6-фосфат за съхранение под формата на гликоген.

В мускулната тъкан липсва глюкокиназа.

2. Превръщане на Glu-6-F във Fru-6-F

3. фосфорилиране на fru-6-f до fru-1,6-df

4. Разцепване на fru-1,6-dp в триози:

Глицералдехид-3-р, който се образува в резултат на изомеризацията на дихидроксиацетон фосфат, участва в по-нататъшни трансформации:

Дихидроксиацетон фосфат глицералдехид-3-фосфат

Количествено се образува повече дихидроксиацетон фосфат.

II. Енергията се съхранява във втория етап на гликолизата.

От една молекула Glu се образуват две молекули глицералдехид-3-фосфат, които участват в по-нататъшни трансформации.

1. Окисляване на глицералдехид-3-фосфат до 1,3-фосфоглицероилфосфат: дифосфоглицеринова киселина (гликолитична оксидоредукция)

CH 2 ORO 3 H 2 CH 2 ORO 3 H 2

| глицералдехид- 2 |

CHOH фосфат дехидрогеназа CHOH

| |

| 2NAD + +Fn 2NADH+N + |

3-PGA 1,3-фосфоглицерат фосфат

Коензимът на глицералдехид фосфат дехидрогеназата е NAD+. Механизмът на действие на този ензим е много сложен.

2. Образуване на 3-фосфоглицерат:

3. Образуване на 2-фосфоглицерат:

4. Образуване на фосфоенолпируват - субстратно фосфорилиране:

Високоенергийното фосфорилирано съединение фосфоенолпируват.

5. Образуване на пируват:

При анаеробни условия, като например в усилено работещи скелетни мускули. Пируватът се превръща в лактат:

При тези условия NADH, образуван по време на гликолиза, се регенерира поради пируват и d се редуцира до лактат.

Електроните, които са дошли първи от глицералдехид-3-фосфат към NAD +, се прехвърлят под формата на NADH към пируват. Редукцията на NAD се катализира от LDH.

С натрупването на лактат в скелетните мускули се свързва чувството на умора. LDH е представен от 5 различни изоензима. LDH на сърдечния мускул има нисък Km за пируват, докато мускулният LDH има по-висок Km за пируват.

Обща реакция:

Glu + 2ADP + 2Fn 2Lak + 2 ATP

По време на анаеробна гликолиза се образуват 4 молекули АТФ, но се освобождават само 2 молекули, т.к. 2 АТФ молекули се изразходват в процеса на фосфорилиране.

Значение на анаеробната гликолиза:

Окисляването на Glu при условия на липса на кислород в тъканите позволява на клетката да получава енергия по време на хипоксия, която може да бъде причинена от физическа активност, както и от нарушения на сърдечно-съдовата и дихателната система. При ИБС се наблюдава анаеробна гликолиза, т.к. работата на дихателната верига е нарушена при дефицит на O 2 и следователно окисляването на глута и мастните киселини, които са основните източници на енергия.

II. При достатъчно съдържание на O 2 в клетката, glu се окислява до крайни продукти - CO 2, H 2 O и този процес се нарича аеробно окисление на glu.

Крайният продукт на аеробната гликолиза е пируват, а енергийният баланс се състои от 3 молекули АТФ, образувани в резултат на фосфорилиране на субстрата, и има още 2 молекули редуциран NADH, чиято концентрация определя активността на процеса. За да продължи процесът, е необходимо да се освободи Н 2 към ензимите на дихателната верига, но самата молекула NADH не може да проникне през митохондриалната мембрана, за това се използват носители и прехвърлянето се извършва с помощта на 2 механизма:

1. Глицерофосфатен совалков механизъм;

2. Малат-аспартат совалков механизъм.

Глицерофосфатен совалков механизъм.

Малък совалков механизъм.

В процеса на гликолиза се образува редуцирана форма на NADH, която не може директно да пренася водород към дихателната верига, т.к. митохондриалната мембрана е непропусклива за NADH. Прехвърлянето на водород от цитозолния NADH към митохондриите става с участието на специални механизми, наречени совалкови механизми. Същността на механизмите е, че NADH в цитозола възстановява някакво съединение, което може да проникне в митохондриите; в митохондриите това съединение се окислява, възстановявайки интрамитохондриалния NAD и отново преминава в цитозола.

Баланс на аеробна гликолиза:

1. Анаеробна гликолиза - субстратно фосфорилиране - 2ATP

2. 2Pyr 2 CH 3 COSKoA - окислително декарбоксилиране на 2 NADH-6ATP

3. Регенериране на 2 NADH в совалката - 6 ATP

4. CTC 2 CH 3 COSKoA CO 2 24 ATP

СХЕМА НА ГЛИКОЛИЗАТА.

Включване в гликолизата на други монозахариди.

В допълнение към глюкозата, други монозахариди участват в гликолизата. Като D-фруктоза, маноза и галактоза.

Фруктозата и манозата се фосфорилират от неспецифична хексокиназа, за да образуват фруктозо-6-фосфат и е метаболит на гликолизата. Маноза-6-фосфатът се изомеризира от фосфоманоза изомераза до фруктозо-6-фосфат.

Има друг начин за включване на фруктоза в гликолизата. Фруктозата се превръща от чернодробната фруктокиназа във фруктозо-1-фосфат, а от алдолазата се разгражда до дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид.

Галактозата също първо се фосфорилира в черния дроб от галактокиназа: D-галактоза + ATPгалактоза-1-P + ADP След това галактозо-1-фосфатът се превръща в глюкозо-1-фосфат. Тази реакция на изомеризация изисква уридин дифосфат-глюкоза (UDP-глюкоза) и ензима галактоза-1-фосфат-уридилтрансфераза:

Галактоза-1-фосфат + UDP-глюкозаUDP-галактоза + Глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфатът е свързан с гликолизата и UDP-галактозата се превръща в UDP-глюкоза от UDP-глюкозна епимераза.

Пентозофосфатен (апотамичен) път на окисление на глюкозата.

По-голямата част от глюкозата се разгражда в тъканите по гликолитичния път с образуването на пируват. На свой ред по-голямата част от пирувата се окислява чрез цикъла на лимонената киселина. Основната цел на разграждането на глюкозата по време на гликолизата е да осигури на клетката енергия под формата на АТФ. Наред с това обаче има и други начини за катаболизъм на глюкозата, които имат специално предназначение. Тези пътища произвеждат специални продукти, от които клетката се нуждае.

Пентозофосфатният или фосфоглюконатният път е източник на специални продукти в тялото:

Значение:

1. NADPH, d се използва като източник на редуциращи еквиваленти в биосинтезата на мастни киселини и стероиди.

2. Рибозо-5-фосфат (пентоза), d се използва за синтеза на нуклеинови киселини.

3. Образуване на АТФ.

По друг вторичен път на катаболизъм на глюкозата в животинските тъкани се образуват два специализирани продукта: D-глюконат, чиято важна роля е свързана с неутрализирането и елиминирането на чужди органични вещества от тялото, и L-аскорбинова киселина (витамин С).

Реакциите на пентозофосфатния път протичат в цитозола.

Връзка между пентозния път и гликолизата.

Обмен на гликоген.

Глюкозата, като монозахарид, свободно дифундира през мембраната на чернодробните клетки, не може да служи като резерв от въглеводороди в черния дроб. Тъй като фосфатните естери на глюкозата и фруктозата не преминават лесно през мембраните, фосфорилирането на тези захари създава един вид капан за тях, като ефективно изолира реакциите на гликолизата и фосфоглюконатния път в рамките на вътреклетъчното отделение. Захарните фосфати обаче не могат да се натрупват в големи количества в черния дроб, тъй като поради осмозата увеличаването на техните запаси ще бъде придружено от натрупване на големи количества вода.

В черния дроб излишните въглехидрати се превръщат в неразтворим полимер - гликоген. Тази резервна форма на глюкоза може да съставлява една десета от общата маса на черния дроб. По време на гладуване запасите от гликоген са почти напълно изчерпани.

Метаболизмът на гликогена включва 2 процеса: гликогенеза или синтез на гликоген и гликогенолиза или разграждане на гликоген.

ГликогенезаСинтезът на гликоген е анаболен процес, който изисква енергия под формата както на АТФ, така и на уридин трифосфат (UTP). Първоначалният източник за синтеза на гликоген е glu, d се превръща в glu-6-фосфат под действието на глюкокиназа.

Glu-6-p заема ключова позиция като общ междинен продукт на редица процеси на въглехидратния метаболизъм: той е способен на обратимо превръщане в пируват чрез гликолиза или глюконеогенеза, както и на необратимо превръщане в пентози по време на фосфоглюконатния път. Glu-6-p може да се преобразува обратимо в гликоген.

Тогава glu-6-p се превръща в glu-1-p. Уридиновите нуклеотиди участват в процеса на активиране на Glu-1-P. По време на този процес двата крайни фосфорни остатъка на UDP се освобождават под формата на неорганичен пирофосфат, UMP остатъкът се комбинира с glu-1-p, образувайки UDP-глюкоза.

Източникът на glu в синтеза на гликоген е UDP-glu, d се образува от глюкоза-1-p и UTP:

Glu-1-f + UTP UDP \u003d glu + H 4 P 2 O 7

На следващия етап, прехвърлянето на останалата част от glu от UDP-glu към гликогеновото семе с помощта на гликоген синтетаза:

UDP-glu + (glu) n UDP + (glu) n +1

Гликоген синтетазата катализира образуването само на -1,4-гликозидни връзки. Ензимът "разклоняване" образува -1-6 гликозидни S (точки на разклоняване).

Гликогенолиза- разграждането на гликогена става чрез фосфоролиза.

биосинтеза на въглехидрати.

Гликолизата, пентозофосфатният път, гликогенолизата са катаболни пътища, които се събират в цикъла на лимонената киселина, за да прехвърлят своите богати на енергия електрони към дихателната верига. Придвижвайки се по дихателната верига до кислорода, тези електрони доставят енергия за синтеза на АТФ. Сега трябва да разгледаме анаболните пътища. В тези пътища химическата енергия под формата на ATP и NADPH се използва за синтезиране на клетъчни компоненти от прости прекурсори.

Организационни принципи на биосинтеза.

1. Пътищата на биосинтеза и пътищата на разцепване на определени биомолекули като правило не са идентични. Тези пътища могат да включват някаква обща обратима реакция или дори няколко такива реакции, но те винаги имат поне един ензимен етап, в който се различават.

2. Биосинтетичните пътища и съответните им катаболни пътища се контролират от различни регулаторни ензими. Обикновено регулирането на съответните биосинтетични и катаболни пътища се извършва координирано, реципрочно, така че стимулирането на биосинтетичния път е придружено от потискане на катаболитния път и обратно. В допълнение, биосинтетичните пътища обикновено се регулират на един от първите етапи. Това предпазва клетката от отпадъци: тя не използва прекурсори, за да синтезира онези междинни продукти, от които не се нуждае.

3. Енергоемките биосинтетични процеси са задължително свързани с доставящото енергия разграждане на АТФ, в резултат на което целият процес е практически необратим, точно както катаболизмът по принцип е необратим. По този начин общото количество ATP (или NADH), използвано в даден биосинтетичен път, винаги надвишава минималното количество свободна енергия, необходимо за превръщане на прекурсора в биосинтетичен продукт.

Централният биосинтетичен път е образуването на глюкоза от невъглехидратни прекурсори. При всички висши животни и хора биосинтезата на глюкозата е абсолютно необходим процес. Кръвната глюкоза служи като единствен или основен източник на енергия за нервната система (включително мозъка), както и за бъбреците, тестисите, червените кръвни клетки и за всички тъкани на ембриона. При хората само мозъкът консумира 120 g глюкоза на ден.

Образуването на глюкоза от невъглехидратни прекурсори се нарича глюконеогенеза (образуване на нова захар).

По време на глюконеогенезата глюкозата се синтезира от лактат, пируват, глицерол и повечето аминокиселини, от междинни продукти в цикъла на лимонената киселина.

Глюконеогенезата се извършва в черния дроб и много по-малко интензивно в кортикалната субстанция на бъбреците.

Гликолизата превръща глюкозата в пируват, докато глюконеогенезата превръща пирувата в глюкоза. Глюконеогенезата не е обръщане на гликолизата, т.к Има 3 необратими стъпки в гликолизата, катализирана от хексокиназа, фосфофруктокиназа и пируват киназа.

Пътищата на глюконеогенезата заобикалят тези 3 необратими реакции на гликолиза със следните нови стъпки:

1. Фосфоенолпируватът се образува от пируват чрез оксалоацетат.

Първата стъпка в байпасната реакционна последователност се катализира от митохондриална пируват карбоксилаза. Този биотин-зависим ензим катализира образуването на оксалоацетат от пируват:

Пируват + CO 2 + ATPoxaloacetate + ADP + Rn

Пируват карбоксилазата е регулаторен ензим; в отсъствието на ацетил-КоА, който служи като положителен регулатор за него, той е почти напълно лишен от активност.

Оксалоацетатът, образуван в митохондриите от пируват, се редуцира обратимо от NADH до образуване на малат:

Митох. NADH + H + + Оксалоацетат NAD + малат

Малатът от митохондриите навлиза в цитозола. В цитозола малатът се превръща в оксалоацетат чрез действието на цитозолната NAD-зависима малат дехидрогеназа:

Цитозол Малат + NAD + Оксалоацетат + NADH + H +

Оксолоацетат + GTFFEP + CO 2 + HDF

Фосфатният донор в тази реакция е GTP, гуанозин трифосфат.

2. Втората реакция на гликолиза, която не може да се използва за глюконеогенеза, е реакцията на фосфорилиране fru-6-f, катализирана от фосфофруктокиназа.

В глюконеогенезата има байпасен път, включващ фруктозо дифосфатаза, която катализира необратимата хидролиза на fru-1,6-dp до образуване на fru-6-p

Fru-1,6-df fru-6-f

Фруктозодифосфатазата е регулаторен ензим, който се нуждае от Mg 2+ йони. AMP се инхибира, АТФ се активира.

3. Третата байпас реакция при синтеза на глюкоза е дефосфорилирането на Glu-6-P до образуване на Glu.

Дефосфорилирането се извършва под действието на глюкозо-6-фосфатаза:

Glu-6-fglu

Глюконеогенезата изисква значителен разход на енергия. Енергоемки стъпки в глюконеогенезата:

Pyr + CO 2 + ATPoxaloacetate + ADP + Fn

Оксалоацетат + GTFFEP + CO 2 + БВП

3FGK1,3FGK

За всяка Glu молекула са необходими 6 високоенергийни фосфатни групи - 4 от ATP и 2 от GTP.

В допълнение, 2 NADH молекули са необходими за стъпките на възстановяване:

1.3 DFHA + NADH + H + 3PHA + NAD +

Обща реакция:

2Pyr + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H + + 4 H 2 O Glu + 2 NAD + + 4 ADP + 2 GDP + 6 Rn

Цитрат, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, фумарат и малат играят основна роля сред метаболитите на TCA, използвани в глюконеогенезата.

Важно е да се отбележи, че ацетил-КоА обикновено не се използва като прекурсор на Glu, тъй като не може да се превърне в пируват.

Глюкогенните аминокиселини могат да се превърнат в глюкоза: аланин, глутамат, аспартат, които се превръщат съответно в пируват, оксалоацетат и -кетоглутарат:

Глюкогенови аминокиселини

Превърнете се в празник: ala, ser, cis, gli

Преобразуван в оксалоацетат: asp, asn

Преобразуване в сукцинил-КоА: val, tre, met

Те се превръщат в -кетоглутарат: glu, hln, pro, arg, gis.

Те доставят въглеродни атоми за синтеза на глу и кетонови тела: фен, тир, изол, лиз, три

Синтезът на глу от малки молекули на прекурсори се случва в периода след възстановяване от мускулна тренировка, например след бягане на сто метра. В този случай gly служи като източник на енергия, който се окислява до образуване на лак и освобождаване на ATP. защото в тъканите няма достатъчно кислород, лактатът не може да претърпи допълнителни трансформации и навлиза в кръвта.

Спринтьор, който завърши състезание на 100 метра диша тежко в началото, но постепенно дишането му се изравнява и става нормално. До този период съдържанието на лак също се връща към нормалното. По време на времето за възстановяване (до 30 минути) лактатът се отстранява от кръвта в черния дроб и се превръща в кръвна глюкоза по време на глюконеогенезата. Blood Glu се връща в мускулите:

Алкохолът инхибира глюконеогенезата.

Консумацията на големи количества алкохол рязко инхибира глюконеогенезата в черния дроб, в резултат на което съдържанието на глюкоза в кръвта намалява, т.е. настъпва хипогликемия. Това е особено вярно след тежки физически натоварвания и на празен стомах нивото на Glu може да падне до 40 и дори 30% от нормата. Хипергликемията не е добра за мозъчната функция. Особено опасно е за тези области на мозъка, които контролират телесната температура. Телесната температура може да се понижи с 2 0 С. Старият обичай, който предписва да се дава водка на гладни или изтощени хора, спасени в морето или в пустинята, е физиологически неоправдан и дори опасен; в такива случаи трябва да се даде Glu.

Окислително декарбоксилиране на пируват.

Среща се в митохондриалния матрикс и свързва гликолизата с цикъла на трикарбоксилната киселина.

Превръщането на пируват в ацетил-КоА е необратим процес и се катализира от комплекса пируват дехидрогеназа. Комплексът пируват дехидрогеназа се състои от три ензима и съдържа пет коензима: NAD, FAD, TPP, амид на липоева киселина, CoA. Този процес включва 4 реакции, общото уравнение е написано, както следва:

цикъл на трикарбоксилната киселина.

Цикълът започва с кондензация на оксалоацетат (ААА) с ацетил-КоА, за да се образува цитрат и КоА. Реакцията се катализира от цитрат синтетаза. Освен това цитратът се изомеризира до изоцитрат през етапа на образуване на цис-аконитат. Изоцитратът под действието на изоцитрат дехидрогеназата се превръща в -кетоглуторат (2-оксоглутарат). Коензимът на изоцитрат дехидрогеназата е NAD. Освен това, β-кетоглутарат, под действието на β-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс, съдържащ NAD, FAD, CoA, TPP и амид на липоева киселина като коензими, се превръща в сукцинил-CoA. На този етап се извършва окислително декарбоксилиране. Сукцинил-КоА има богата на енергия връзка. Хидролизата на сукцинил-КоА произвежда около 8 kcal/mol, което е сравнимо с количеството енергия, необходимо за синтеза на АТФ (~7,3 kcal/mol).

Разцепването на тиоетерната връзка на сукцинил-КоА е свързано с фосфорилиране на гуанозин дифосфат (GDP). Това е реакция на субстратно фосфорилиране, която произвежда 1 mol ATP. Това е единствената TCA реакция, която води до образуването на високоенергийна фосфатна връзка. Окислителното фосфорилиране е свързано с цикъла на Кребс, където образуването на АТФ е свързано с окислението на NAD или FAD под действието на кислорода.

След това сукцинатът се превръща във фумарат чрез действието на сукцинат дехидрогеназа, съдържаща FAD като коензим. В следващия етап фумаратът претърпява реакция на хидратация, за да образува малат (ябълчена киселина). Малатът се превръща в оксалоацетат от NAD-зависима малат дехидрогеназа. Следователно, оксалоацетатът се регенерира в цикъла, което осигурява функционирането на TCA.

3 NADH и FADH 2, образувани в цикъла на трикабоовата киселина, се окисляват в дихателната верига (или във веригата за пренос на електрони). Генерирането на АТФ възниква по време на транспортирането на електрони от тези носители към O 2 . За всяка молекула NADH в митохондриите се образуват 3 ATP, а за всяка молекула FADH 2 се образуват 2 ATP молекули. Следователно в процеса на окислително фосфорилиране се образува 11 АТФ.

Молекулярният кислород не участва пряко в цикъла на трикарбоксилната киселина. Въпреки това, цикълът функционира само при аеробни условия, тъй като NAD + и FAD могат да се генерират в митохондриите само когато електроните се прехвърлят към молекулярен кислород.

Стойността на CTC

1. * Цикълът на Кребс е основният път на разцепване, който осигурява генерирането на АТФ.

2. Амфиболна - двойна функция.

Катаболен - разграждане на ацетилови остатъци

За синтез се използват анаболни - субстрати от цикъла на Кребс.

3. Енергийна функция - 1 ATP

4. Донорна функция на водород - регенератор на водород за дихателната верига.

* Интегративна функция - комбиниране на обмяната на въглехидрати, липиди и протеини.

Патология на въглехидратния метаболизъм.

Нарушенията на метаболизма на глюкозата се проявяват като хипергликемия, глюкозурия и хипогликемия. специална формапредставляват нарушения на енергийния метаболизъм при хипоксични условия.

Хипергликемията се характеризира с повишаване на нивата на глюкозата над 6 mmol / l. Има физиологична и патологична хипергликемия. Физиологичните хипергликемии включват хранителни, възникващи при едновременно приемане на големи количества въглехидрати, и неврогенни, например при стресови ситуации в резултат на освобождаване на голямо количество адреналин в кръвта. Физиологичните хипергликемии са преходни и изчезват бързо.

Патологичната хипергликемия се причинява от нарушение на оптималното съотношение между секрецията на хормони с хипо- и хипергликемично действие. Най-честата причина за патологична хипергликемия е захарният диабет, свързан с липсата на инсулинова секреция от панкреаса. В допълнение към диабета, хипергликемията придружава и заболявания на хипофизата, придружени от повишена секреция на соматотропен хормон и ACTH (акромегалия, тумори на хипофизата), тумори на надбъбречната медула, при които образуването на катехоламини и кортикалния слой на надбъбречните жлези с повишено производство на глюкокортикоиди, хипертиреоидизъм, някои чернодробни заболявания (инфекциозен хепатит, чернодробна цироза).

Диабет- се свързва с липса на инсулин, произвеждан от β-клетките на панкреаса. Развитието на диабет допринася за прекомерната консумация на въглехидрати и мазнини, заседнал начин на живот, стресови ситуации.

Захарният диабет се основава на следните молекулярни дефекти:

1. Нарушаване на превръщането на проинсулин в инсулин в резултат на мутации, засягащи аминокиселинните остатъци в съединението на А-веригата (или В-веригата) с С-пептида в проинсулин. При такива пациенти кръвта съдържа високо съдържание на проинсулин, лишен от хормонална активност.

2. Нарушаване на молекулярната структура на инсулина. Замяната на сешоар с лей се придружава от 10-кратно намаляване на хормоналната активност.

3. Дефект на инсулиновите рецептори. При редица пациенти се секретира нормален инсулин, но свързването му с прицелните клетки е нарушено в резултат на дефект в инсулиновите рецептори в плазмените мембрани.

4. Нарушаване на сдвояването на инсулиновите рецептори. При редица пациенти се секретира нормален инсулин, таргетните клетки съдържат обичайния брой рецептори, но няма интерфейс между комплекса инсулин-рецептор и следващия компонент във веригата на хормонална сигнална трансдукция.

Най-важните биохимични признаци на диабет са:

1. Хипергликемия. В резултат на липсата на инсулин проникването на глюкоза в тъканите се нарушава и глюкозата се натрупва в кръвта. В отговор на дефицит на глюкоза в чернодробните клетки се увеличава разграждането на гликогена и освобождаването на свободна глюкоза в кръвта, което влошава хипергликемията. Има вероятност от развитие на хипергликемична кома.

2. Глюкозурия и полиурия.Когато кръвната захар превиши способността на бъбречните тубули да реабсорбират глюкозата, тя се екскретира в урината. Заедно с глюкозата се отделя много вода и пациентът изпитва глад и жажда.

3. Кетонемия и кетурия.Поради дефицита на глюкоза в тъканите клетките започват да използват мазнините като енергия. При окисляването на мастните киселини се образува ацетил-КоА, който не изгаря напълно с ТСА, а от него се синтезират кетонови тела: ацетооцетна, -хидроксимаслена киселини и ацетон. Повишаване на концентрацията на кетонни тела в кръвта - кетонемия и екскреция на кетонни тела в урината - кетонурия.

4. Нарушаване на киселинно-алкалния баланс с развитието на кетоацидоза.

Кетоновите тела изместват pH на кръвта и тъканната течност към киселинната страна. Първоначално буферните системи компенсират изместването на pH - компенсирана ацидоза. При тежки състояния може да се появи некомпенсирана ацидоза.

Методи за диагностициране на захарен диабет.

1. Определяне на кръвната захар на гладно.

2. Метод на натоварване със захар (тест за толеранс към глюкоза).

3. Диагностика на спешни състояния - определяне на глюкоза и ацетон в урината с диагностични хартиени ленти - глюкотест и кетотест.

Метод за зареждане със захар.

От пациента се взема кръв на празен стомах, след което му се дава да изпие сироп, съдържащ 50 g глюкоза в 200-250 ml вода. След това, след 30, 60, 150 ', се взема кръв и се определя глюкозата. При здрав човек (1) първоначалното ниво на кръвната захар е нормално (< 5ммоль/л). После приема глюкозы в течении часа содержание глюкозы умеренно возрастает. В ответ на гипергликемию усиливается секреция инсулина, глюкоза переходит в ткани и ее содержание через 3 часа снижается до N и даже ниже.

При пациент с латентен захарен диабет (2) съдържанието на глюкоза е в горната граница на нормата (5,7 mmol/l). След тренировка повишаването на кръвната захар е по-изразено и до 3 часа не достига N поради липса на инсулин.

При пациент с явен захарен диабет (3) се определя хипергликемия (9 mmol / l) на празен стомах. Към 1 часа нивото на Glu достига 15 mmol/l, а към 3 часа намалението е незначително, поради инсулинов дефицит. Клинични симптоми: повишен апетит, чувство на жажда, което е придружено от полиурия. Късни симптоми: мускулна слабост, конвулсии по време на физическо натоварване, полиневрит - т.к. използването на глюкоза от нервните клетки е нарушено.

Характеристиките на метаболизма на глюкозата в клетките бяха подути.

В туморните клетки се наблюдава повишена хексокиназна активност, което води до бързо усвояване и окисление на глюкозата. Туморната клетка е помпа, която изпомпва глюкозата от кръвния поток. В условията на бързо растящ тумор, системата от кръвоносни съдове изостава от растежа на тумора и в такива клетки възниква анаеробна гликолиза, която осигурява енергия за клетъчния растеж. Енергийният изход от анаеробната гликолиза е 2 mol АТФ и следователно процесът трябва да протича с висока скорост, за да осигури на туморните клетки енергия. Поради бързото окисление на глюкозата възниква хипогликемия. Появата на хипогликемия води до ускоряване на глюконеогенезата и глюкозата започва да се синтезира от аминокиселини. Последицата от синтеза на глюкоза от аминокиселини е загуба на тегло при пациенти и се развива ракова кахексия.

1. Мембранна хексокиназа - работи като помпа.

2. Хипогликемия.

3. Анаеробна гликолиза.

4. "Принудителна" глюконеогенеза.

5. Ракова кахексия.

Гликогенози.

Гликогенозите са наследствени заболявания, характеризиращи се с прекомерно отлагане на гликоген.

Гликогеноза тип I (болест на Girke) се характеризира с дефект в ензима глюкозо-6-фосфатаза.

Признаци на гликогеноза: ниска кръвна захар на гладно, в тежки случаи, гърчове, забавяне на растежа поради потискане на производството на инсулин. Натрупване на гликоген поради големи количества глюкозо-6-фосфат и активиране на гликоген синтетазата. Уголемяване на черния дроб, смърт на хепатоцити, нисък ръст, ацидоза (лактатна, пирватна).

Гликогеноза тип VI (болест на Hers).

Фосфорилазен дефект. Натрупване на гликоген, симптоми тип I са типични, но по-слабо изразени (глюкоза навлиза в кръвния поток).

Мускулни гликогенози

Гликогеноза тип V е дефект или липса на фосфорилаза в мускулите. Мускулни крампи по време на тренировка, мускулна слабост, липса на хипогликемия. Синтезът на АТФ се увеличава чрез окисляването на мастни киселини.

Тип VII гликогеноза е дефект само във фосфофруктосинтетазата. Понасят само умерена физическа активност. Развива се хемолитична анемия.

Тип III гликогеноза (болест на Cori) е дефект или липса на гликоген-6-глюконохидролаза. Повишено съдържание на гликоген в черния дроб. Гликогенът е изграден от къси вериги.

Гликогеноза IV (болест на Андерсън) - липса на "разклоняващ" ензим. Натрупване на гликоген с необичайно дълги вериги. се развива цироза на черния дроб.

Агликогенозата е дефект в гликоген синтетазата. Липса на гликоген или много малко, конвулсии, хипогликемия.

Хемолитична анемия.

Гликолизата в еритроцитите и транспортът на кислород са свързани с участието на 2,3-дифосфоглицерат и в двата процеса. 2,3-дифосфоглицератът намалява афинитета на хемоглобина към кислорода

2,3-DFGK намалява афинитета на Hb към O 2

Дефицитът на глюкозо-6-фосфотдехидрогеназа е причина за лекарствено индуцирана хемолитична анемия.

При редица пациенти с малария употребата на антималарийния препарат pamaquine е придружена от хемолитична анемия. 30 години след началото на лекарството е изяснена причината за анемията. Установено е, че появата на анемия е свързана с дефицит на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа в еритроцитите. В резултат на ензимен дефицит се нарушава образуването на NADPH в пентозофосфатния път. Основната роля на NADPH в еритроцитите е да редуцира дисулфидната форма на глутатиона до сулфхидрилната форма.

G-S-S-G + NADPH + H + G-SH + NADP +

Редуцираната форма на глутатион осигурява неутрализиране на пероксида и органичните пероксиди:

2 G-SH + R-O-OHG-S-S-G + H 2 O + ROH

Клетките с намалено съдържание на редуциран глутатион имат повишена чувствителност към хемолиза. Възможно е при липса на редуциран глутатион, памаквин и редица други лекарства да предизвикат промени в повърхността на мембраната на еритроцитите поради образуването на токсични пероксиди.

Недостатъчността на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназата в еритроцитите, очевидно, причинява резистентност към тропическа малария, т.к. растежът на патогена изисква нормално функциониращ пентозен път и намален глутатион. Ензимен дефект е често срещан в страни, където маларията е често срещана. Този наследствен ензимен дефицит може да бъде относително безвреден, стига да не се прилагат определени лекарства.

Характеристики на въглехидратния метаболизъм в различни органи и тъкани.

1. Метаболизъм на въглехидратите в черния дроб.

Една от най-важните функции на черния дроб в метаболитните процеси е участието му в поддържането на постоянно ниво на глюкоза в кръвта (глюкостатична функция): глюкозата, доставена в излишък, се превръща в резервна форма, която се използва през периода, когато храната се доставя в ограничени количества.

Енергийните нужди на самия черен дроб, както и на други телесни тъкани, се задоволяват чрез вътреклетъчен катаболизъм на входящата глюкоза. В черния дроб катаболизмът на глюкозата е представен от 2 процеса: 1) гликолитичният път на превръщане на 1 mol глюкоза в 2 mol лактат с образуването на 2 mol ATP и 2) фосфоглюконатният път на превръщане на 1 mol глюкоза в 6 mol CO 2 с образуването на 12 mol NADP. N. И двата процеса протичат при анаеробни условия, и двете ензимни системи се съдържат в разтворимата част на цитоплазмата, и двата пътя изискват предварително фосфорилиране на глюкозата.

Гликолизата осигурява енергия за реакции на клетъчно фосфорилиране, протеинов синтез; пентозофосфатният път служи като източник на енергия за възстановяване за синтеза на мастни киселини и стероиди.

При аеробни условия има комбинация от гликолиза, протичаща в цитоплазмата и цикъла на лимонената киселина с окислително фосфорилиране в митохондриите, като се постига максимален енергиен добив от 38 ATP на 1 mol глюкоза. Фосфотриозите, образувани по време на гликолизата, могат да се използват за синтеза на β-глицерофосфат, който е необходим за синтеза на мазнини. Пируватът, който се образува по време на гликолиза, може да се използва за синтезиране на аланин, аспартат и други съединения, през етапа на образуване на оксалоацетат. В черния дроб реакциите на гликолиза могат да протичат в обратна посока и тогава глюкозата се синтезира чрез глюконеогенеза. В пентозофосфатния път се образуват пентози, които са необходими за синтеза на NA. За разлика от гликолизата, фосфоглюконатният път е необратим и тук 1/3 от глюкозата се окислява, 2/3 от глюкозата се окислява по гликолитичния път.

Гликогенезата и гликогенолизата се извършват в черния дроб. Тези процеси са взаимосвързани и регулирани както от вътрешно-, така и от извънклетъчните връзки между приема и потреблението на глюкоза.

Ролята на черния дроб в метаболизма на въглехидратите.

Метаболизъм на въглехидратите в мускулите.

Черният дроб взема предвид изискванията на други органи и тъкани по отношение на въглехидратния метаболизъм. В мускулите въглехидратният метаболизъм се извършва в съответствие с принципа на самообслужване.

Целта на мускулната клетка е да използва най-ефективно постъпващата глюкоза за образуване на АТФ, който е необходим за извършване на механична работа - свиване. В покой значителни количества глюкоза се съхраняват под формата на гликоген. Цитоплазмата на мускулните клетки съдържа гликолитични ензими във високи концентрации, а изобилието от митохондрии осигурява ефективното разграждане на продуктите на гликолизата чрез пътя на лимонената киселина и веригата за транспортиране на електрони. Само при условия на екстремна умора тези аеробни процеси не успяват да се справят с натрупването на лактат.

Гликогенезата се извършва в мускулите, мускулите изпълняват само няколко синтетични функции. Ключовите ензими на глюконеогенезата в мускулите отсъстват и глюконеогенезата не се осъществява. За възстановителни синтези в мускулите на NADP. H не се изисква и фосфоглюконатният път е почти нефункционален.

Метаболизмът на въглехидратите в мускулите осигурява създаването на тъканни гликогенови резерви в покой и използването на тези резерви, както и входящата глюкоза по време на усилена работа; основните енергийни нужди на всички видове мускули се задоволяват главно поради окисляването на продуктите от метаболизма на мазнините. Нито бавно съкращаващият се гладък мускул, нито сърдечният мускул консумират много глюкоза. По време на тежка работа сърцето си осигурява лактат за окисление.

Метаболизъм на въглехидратите в мускулите.

Фосфорилирането на глюкозата в мускулите се извършва под действието на хексокиназа, в черния дроб този процес се катализира от глюкокиназа. Тези ензими се различават по Km. Km на хексокиназата е значително по-нисък от Km на глюкокиназата. Мускулният ензим - хексокиназа участва във вътреклетъчната регулация, т.е. този ензим ще фосфорилира глюкозата само докато глюкоза-6-р се използва в мускулите за гликолиза или образуване на гликоген.

Друга основна разлика между черния дроб и мускулната тъкан е липсата на ензима глюкозо-6-фосфатаза в мускулите.

Метаболизъм на въглехидратите в мозъка.

В сравнение с всички органи на тялото, функциите на мозъка са най-зависими от метаболизма на въглехидратите. Ако в кръвта, навлизаща в мозъка, концентрацията на глюкоза стане наполовина нормална, след това в рамките на няколко секунди има загуба на съзнание и след няколко минути - смърт. За да се осигури освобождаването на достатъчно енергия, катаболизмът на глюкозата трябва да се извършва в съответствие с аеробните механизми; дори по-високата чувствителност на мозъка към хипоксия, отколкото към хипогликемия, свидетелства за това. Метаболизмът на глюкозата в мозъка осигурява синтеза на невротрансмитери, аминокиселини, липиди и компоненти на нуклеинови киселини. Фосфоглюконатният път функционира в малка степен, осигурявайки NADP. H за някои от тези синтези. Основният катаболизъм на глюкозата в мозъчната тъкан протича по гликолитичния път.

Мозъчната хексокиназа има висок афинитет към глюкозата, което осигурява ефективно използване на глюкозата от мозъка. Активността на гликолизните ензими е висока.

Високата активност на митохондриалните ензими от цикъла на лимонената киселина предотвратява натрупването на лактат в мозъчните тъкани

ЕНЕРГИЙЕН ОБМЕН

Живите организми са в постоянна и неразривна връзка с околната среда. Тази връзка се осъществява в процеса на метаболизма. Метаболизмът включва 3 етапа: приемане на вещества в тялото, метаболизъм и отделяне на крайните продукти от тялото.

Приемането на вещества в тялото става в резултат на дишане (кислород) и хранене. В храносмилателния тракт храната се усвоява (разгражда се до прости вещества). По време на храносмилането полимерите (протеини, полизахариди и други сложни органични вещества) се хидролизират до мономери, които се абсорбират в кръвта и се включват в междинния обмен.

Междинният метаболизъм (вътреклетъчен метаболизъм) включва 2 вида реакции: катаболизъм и анаболизъм (фиг. 6-1).

катаболизъм- процес на разделяне на органични молекули до крайни продукти. Крайните продукти на трансформациите на органичните вещества в животните и хората са CO 2 , H 2 O и урея. Процесите на катаболизъм включват метаболити, образувани както по време на храносмилането, така и по време на разграждането на структурни и функционални компоненти на клетките.

Реакциите на катаболизъм са придружени от освобождаване на енергия (екзергонични реакции).

Анаболизъмсъчетава биосинтетични процеси, при които прости градивни елементи се комбинират в сложни макромолекули, необходими на тялото. Анаболните реакции използват енергията, освободена по време на катаболизма (ендергонични реакции).

I. БИОЛОГИЧНО ОКИСЛЕНИЕ

Процесите на катаболизъм в животинските клетки са придружени от консумацията на кислород, който е необходим за окислителните реакции. В резултат на тези реакции се освобождава енергия, която е необходима на организмите в процесите на живот за извършване на различни видове работа. Небиологичните системи могат да вършат работа поради топлинна енергия, биологичните системи работят в изотермичен режим и за изпълнение

Ориз. 6-1. Обща схема на метаболизма и енергията. 1 - храносмилане; 2 - катаболизъм; 3 - анаболизъм; 4 - разпадане на структурни и функционални компоненти на клетките; 5 - екзергонични реакции; 6,7 - ендергонични реакции; 8 - отделяне от тялото.

жизнените процеси използват химическа енергия. Биоенергетиката или биохимичната термодинамика се занимава с изучаването на енергийните трансформации, съпътстващи химичните реакции.

А. Свободна енергия и законите на термодинамиката

От гледна точка на термодинамиката живите организми са отворени системи. Възможен е обмен на енергия между системата и околната среда, който се осъществява в съответствие със законите на термодинамиката.

1. Закони на термодинамиката

Първият закон е законът за запазване на енергията; може да се формулира по следния начин: общата енергия на системата и околната среда е постоянна величина.

В рамките на разглежданата система енергията може да преминава от една част от нея в друга или да се трансформира от една форма в друга.

Вторият закон гласи, че всички физични и химични процеси в една система са склонни необратимо да преобразуват полезната енергия в хаотична, неконтролируема форма. Мярка за прехода или разстройството на една система е стойност, наречена ентропия (S), тя достига максимум, когато системата влезе в истинско равновесие с околната среда.

2. Безплатна енергия

Всяко органично съединение, което влиза в тялото отвън или е част от живата материя, има определено количество вътрешна енергия (Е). Част от тази вътрешна енергия може да се използва за извършване на полезна работа. Тази енергия на системата се нарича свободна енергия (G).

При постоянна температура и налягане връзката между промяната в свободната енергия на системата (ΔG) и промяната в ентропията (ΔS) може да бъде представена чрез следното уравнение:

ΔG \u003d ΔH - T × S, където ΔH е промяната в енталпията (съдържаща се вътрешна енергия или топлина

в системата); Т е абсолютната температура. При условията, при които протичат биохимичните реакции, ΔH е приблизително равно на ΔE (промяната във вътрешната енергия на системата в резултат на реакцията). За биологични системи измерването на свободната енергия обикновено се извършва при стандартни условия, когато pH 7,0, температура 25 ° C, всички разтвори са с концентрация G mol / l и всички газове при налягане от 1 atm.

При стандартни условия всички функции се означават като ΔG 0 ", ΔS 0" и ΔН 0 ". Промяната в стандартната свободна енергия (AG0") може да се изчисли, като се знае константата на равновесие (K "eq) на химическа реакция.

3. Ендергонични и екзергонични реакции

Посоката на химичната реакция се определя от стойността на ΔG. Ако тази стойност е отрицателна, тогава реакцията протича спонтанно и е придружена от намаляване на свободната енергия. Такива реакции се наричат ​​екзергонични. Ако в този случай абсолютната стойност на ΔG е голяма, тогава реакцията протича почти до края и може да се счита за необратима.

Ако ΔG е положителен, тогава реакцията ще продължи само когато свободната енергия се доставя отвън; такива реакции се наричат ​​ендергонични.

Ако абсолютната стойност на ΔG е голяма, тогава системата е стабилна и в този случай реакцията практически не се случва. Когато ΔG е нула, системата е в равновесие (Таблица 6-1).

4. Конюгиране на екзергоник
и ендергонични процеси в организма

В биологичните системи термодинамично неблагоприятните (ендергонични) реакции могат да протичат само поради енергията на екзергоничните реакции. Такива реакции се наричат ​​енергийно свързани. Много от тези реакции протичат с участието на аденозинтрифосфат (АТФ), който играе ролята на конюгиращ фактор.

Нека разгледаме по-подробно енергията на конюгираните реакции, като използваме примера за фосфорилиране на глюкоза.

Реакцията на глюкозно фосфорилиране със свободен фосфат за образуване на глюкозо-6-фосфат е ендергонична:

(1) Глюкоза + H 3 PO 4 → Глюкозо-6-фосфат + H 2 O (ΔG = +13,8 kJ / mol).

За да продължи такава реакция към образуването на глюкозо-6-фосфат, тя трябва да бъде свързана с друга реакция, чиято свободна енергия е по-голяма от тази, необходима за фосфорилиране на глюкоза.

(2) ATP → ADP + H 3 RO 4
(ΔG = -30,5 kJ/mol).

Когато процесите (1) и (2) се свържат в реакция, катализирана от хексокиназа (вижте раздел 7), глюкозното фосфорилиране протича лесно при физиологични условия; Равновесието на реакцията е силно изместено надясно и е практически необратимо:

(3) Глюкоза + ATP → Глюкозо-6-фосфат + ADP (ΔG = -16,7 kJ/mol).

B. Характеризиране на високоенергийни фосфати. ATP-ADP цикъл

В живите организми има цяла група органични фосфати, чиято хидролиза води до освобождаване на голямо количество свободна енергия. Такива съединения се наричат ​​високоенергийни фосфати (Таблица 6-2).

Таблица 6-1. Връзката между стойностите на K "eq и ΔG 0" и посоката на химичните реакции

K"eq	∆G0"	Посоката на реакцията при начални концентрации на компонентите 1 М
>1,0	отрицателен	От ляво на дясно
1,0	Равно на нула	Балансово състояние
	Положително	От дясно на ляво

Таблица 6-2. Свободна енергия от хидролиза на някои органични фосфати

Съединение	реакционни продукти	- ΔG 0 ", kcal/mol	- ΔG 0 ", kJ/mol
Фосфоенолпируват	Пируват + H 3 RO 4	14,8	61,86
1,3-бисфосфоглицерат	3-фосфоглицерат + H 3 RO 4	13,0	54,34
Карбамоил фосфат	Карбамат + H 3 RO 4	12,0	51,83
Креатин фосфат	Креатин + H 3 RO 4	10,3	43,05
Ацетил фосфат	Оцетна киселина + H 3 RO 4	10,3	43,05
АТФ	ADP + H 3 RO 4	7,3	30,51
ADP	AMP + H 3 RO 4	6,6	27,59
Дифосфат (H 4 P 2 O 7)	2 H 3 P0 4	6,6	27,59
Глюкозо-1-фосфат	Глюкоза + H 3 RO 4	5,0	20,90
Фруктоза 6-фосфат	Фруктоза + H 3 RO 4	3,8	15,88
Глюкозо-6-фосфат	Глюкоза + H 3 RO 4	3,3	13,79
Глицерол фосфат	Глицерин + H 3 RO 4	2,2	8,36

Както се вижда от табл. 6-2, различните фосфорилирани съединения имат различни запаси от свободна енергия. Групата на високоенергийните фосфати, освен АТФ, включва енол фосфати, анхидриди и фосфогуанидини. Съединенията, разположени в долната част на таблицата, съставляват групата на нискоенергийните фосфати. Централно сред тези съединения е АТФ" (фиг. 6-2).

АТФ- молекула, богата на енергия, тъй като съдържа две фосфоаншдридни връзки (β, γ). При хидролиза на крайната фосфоанхидридна връзка, ATP се превръща в ADP и ортофосфат P i. В този случай промяната в свободната енергия е -7,3 kcal / mol. При условията, които съществуват в нормална клетка (pH 7,0, температура 37 ° C), действителната стойност на ΔG 0 "за процеса на хидролиза е около -12 kcal / mol. Свободната енергия на хидролизата на АТФ позволява да се образува от ADP поради прехвърлянето на фосфатна част от високоенергийни фосфати като фосфоенолпируват

Ориз. 6-2. Аденозин трифосфорна киселина (АТФ).В молекулата на АТФ има две високоенергийни (макроергични) връзки β и γ, те са обозначени на фигурата със знака ~ (тилда).

или 1,3-бисфосфоглицерат; на свой ред, АТФ може да участва в такива ендергонични реакции като фосфорилиране на глюкоза или глицерол. АТФ действа като енергиен донор в ендергоничните реакции на много анаболни процеси. Някои биосинтетични реакции в организма могат да протичат с участието на други нуклеозидни трифосфати, аналози на АТФ; те включват гуанозин трифосфат (GTP), уридин трифосфат (UTP) и цитидин трифосфат (CTP). Всички тези нуклеотиди от своя страна се образуват с помощта на свободната енергия на крайната фосфатна група на АТФ. И накрая, благодарение на свободната енергия на АТФ се извършват различни видове работа, които са в основата на живота на тялото, като мускулна контракция или активен транспорт на вещества.

По този начин АТФ е основният директно използван донор на свободна енергия в биологичните системи. В клетката молекулата на АТФ се изразходва в рамките на една минута след нейното образуване. При хората на всеки 24 часа се образува и унищожава количество АТФ, равно на телесното тегло.

Използването на АТФ като източник на енергия е възможно само при условие на непрекъснат синтез на АТФ от АДФ поради енергията на окисление на органичните съединения (фиг. 6-3). Цикълът АТФ-АДФ е основният механизъм за обмен на енергия в биологичните системи, а АТФ е универсалната "енергийна валута".

Б. Редокс реакции. Редокс потенциал

Окисляването е отстраняването на електрони, докато редукцията е добавянето на електрони. Окислението на донор на електрони винаги е придружено от редукция на акцептор на електрони. Този принцип на редокс процесите е приложим и за биохимичните системи. Във всяка редокс реакция участват акцептор на електрони (окислител) и донор на електрони (редуциращ агент). Например:

(1) Сu + О → Сu 2+ О 2- .

Общата реакция (1) може условно да се раздели на 2 полуреакции (2), (3):

(2) Сu - 2е → Сu 2+ .
(3) O + 2e → O 2-.

Всеки от тях включва окислената и редуцирана форма на едно съединение; те се наричат ​​конюгирана двойка или редокс двойка.

Таблица 6-3. Стандартни редокс потенциали на някои спрегнати двойки

редокс двойка	E 0 ",V
2H + /H 2	-0,42
NAD+/NADH	-0,32
NADP+/NADPH	-0,32
NADH дехидрогеназа (FMN форма)	-0,30
NADH-дехидрогеназа (FMNH 2 форма)
FAD протеин/FADH 2 протеин	-0,05
Сукцинат/фумарат	+0,03
Убихинон/убихинол	+0,04
цит. b Fe 3+ /цит. b Fe2+	+0,07
цит. c 1 Fe 3+ /цит. c 1 Fe 2+	+0,23
цит. с Fe 3+ /цит. с Fe 2+	+0,25
цит. и Fe 3+ /цит. Fe 2+	+0,29
цит. a3 Fe 3+ /цит. a 3 Fe 2+	+0,55
½ O 2 + 2H + + 2e / H 2 0	+0,82

Различните редокс двойки имат различен електронен афинитет. Тези с по-малък афинитет даряват електрон на тези с повече. Мярка за афинитета на редокс двойка към електрон е редокс потенциалът или редокс потенциалът (E 0 "), чиято стойност е пряко свързана с промяната в свободната енергия. Стойността на E º" се изразява във волтове ; колкото по-малък (отрицателен) е той, толкова по-нисък е афинитетът на веществото към електроните. Колкото по-голям е афинитетът, толкова по-голям е редукционният потенциал.

Редокс потенциалите E 0 " са свързани с промяната на свободната енергия чрез уравнението на Нернст:

ΔG 0 ´ = - nFΔE º ´

където n е броят на електроните, прехвърлени в реакцията; F - константа на Фарадей (23 061 kcal B -1 mol -1); ΔE o " - разликата между редокс потенциалите на двойките електрон-донор и електрон-акцептор.

Стойността на ΔE o "е стандартната стойност на редокс потенциала; определя се при стандартни условия, когато концентрациите на всички вещества са 1 М, налягането на газа е 1 atm и рН е 7,0 (Таблица 6-3) .

D. Основните етапи на енергийната трансформация на катаболните процеси

Енергията се освобождава по време на ензимното окисление на метаболитите от специфични дехидрогенази. При реакциите на дехидрогениране електроните и протоните се прехвърлят от органични субстрати към коензими на NAD- и FAD-зависими дехидрогенази. Електроните с висок енергиен потенциал се прехвърлят от редуцираните коензими NADH и FADH 2 към кислорода чрез верига от преносители, локализирани във вътрешната митохондриална мембрана. Възстановяването на молекулата O 2 става в резултат на прехвърлянето на 4 електрона. При всяко добавяне на 2 електрона към кислорода, идващи към него през веригата от преносители, 2 протона се абсорбират от матрицата, което води до образуването на молекула H 2 O.

Окисляването на органични вещества в клетките, придружено от консумация на кислород и синтез на вода, се нарича тъканно дишане, а електротранспортната верига (ECC) се нарича дихателна верига.

Електроните, влизащи в CPE, губят своята свободна енергия, докато се движат от един носител към друг. Значителна част от тази енергия се съхранява под формата на АТФ, а част от енергията се разсейва под формата на топлина. В допълнение, електрони с висок енергиен потенциал, произтичащ от окисляването на различни субстрати, могат да бъдат използвани в биосинтетични реакции, които изискват редуциращи еквиваленти в допълнение към ATP, като NADPH.

D. Ензими и коензими, участващи в редокс реакции

Прехвърлянето на електрони от окисляеми субстрати към кислорода става на няколко етапа. Той включва голям брой междинни носители, всеки от които е в състояние да прикрепи електрони от предишния компонент и да се прехвърли към следващия. Така протича верига от окислително-редукционни реакции, водещи до редукция на O 2 и синтеза на H 2 O. Голям брой носители влизат в дихателната верига на митохондриите (фиг. 6-4).

С изключение на убихинон (KoQ), всички компоненти на CPE са протеини. Тези протеини съдържат различни непротеинови компоненти: FMN, Fe в състава на желязо-сярни протеини и в състава на порфириновите пръстени, Cu йони.

Ориз. 6-4. Митохондриална електротранспортна верига.Комплекс I съдържа FMN и най-малко пет желязо-сярни протеини (FeS). Комплекс III включва две различни форми на цитохром b (с максимуми на абсорбция 562 и 566), един FeS протеин и цитохром c 1. Комплекс IV съдържа цитохроми a 1 и a 3 и два медни йона. Комплекс II (сукцинат дехидрогеназа) не е показан на фигурата (виж Фиг. 6-13), Комплекс V е АТФ синтаза.

1. Първични акцептори на водород

Първичните водородни акцептори на редокс реакциите се класифицират като 2 вида дехидрогенази: никотинозависими, съдържащи производни на никотиновата киселина като коензими, и флавин-зависими, съдържащи производни на рибофлавин (виж Раздел 2).

Никотинамид-зависимите дехидрогенази съдържат NAD+ или NADP+ като коензими (вижте раздел 2). NAD+ и NADP+ са производни на витамин РР. Тези коензими са част от активните центрове на дехидрогеназите, но могат обратимо да се отделят от комплекса с апоензими и се включват в ензима по време на реакцията. Субстрати на NAD- и NADP-зависими дехидрогенази се намират в митохондриалния матрикс и в цитозола. Работната част на никотинамидните коензими е никотинамидът (фиг. 6-5).

Повечето дехидрогенази, доставящи електрони на CPE, съдържат NAD+. Те катализират реакции като:

R-CHOH-R 1 + NAD + ↔ R-CO-R 1 + NADH + H + .

По този начин NAD +, като приема протони и електрони от различни субстрати, служи като основен енергиен колектор на окислени вещества и основен източник на електрони с висок енергиен потенциал за CPE.

NADPH не е директен донор на електрони в CPE, но се използва почти изключително в редуктивни биосинтези (вижте раздел 8). Въпреки това, включването на електрони от NADPH в CPE е възможно поради действието на пиридин нуклеотид трансхидрогеназа, която катализира реакцията:

NADPH + NAD + ↔ NADP + + NADH.

Ориз. 6-5. Структурни формули на работната част на коензимите NAD + и NADP +.В окислена форма никотинамидните коензими се наричат ​​NAD + и NADP +, защото носят положителен заряд върху азотния атом на пиридиновия пръстен. При реакции на дехидрогениране от два водородни атома, отцепени от окисления субстрат, никотинамидният пръстен добавя водороден йон и два електрона под формата на хидриден йон (: H -). Вторият йон преминава в средата. AT обратна реакция NADH (NADPH) действат като донори на електрони и протони.

Флавин дехидрогеназите съдържат FAD или FMN като коензими. Тези коензими се образуват в човешкото тяло от витамин B 2 (вижте точка 2). Флавиновите коензими са силно свързани с апоензимите. Работната част на FAD и FMN е изоалоксазинова конюгирана пръстенна система (фиг. 6-6).

FAD служи като акцептор на електрони от много субстрати в реакции като:

R-CH 2 -CH 2 -R 1 + E (FAD) ↔ R-CH \u003d CH-R 1 + E (FADH 2),

където Е е протеиновата част на ензима.

Повечето FAD-зависими дехидрогенази са разтворими протеини, локализирани в митохондриалната матрица. Изключение прави сукцинат дехидрогеназата, която се намира във вътрешната мембрана на митохондриите. FMN-съдържащите ензими включват NADH дехидрогеназа, която също е локализирана във вътрешната митохондриална мембрана; той окислява NADH, произведен в митохондриалната матрица.

2. Електрон транспортна верига от NADH
и FADH 2 за кислород

Преносът на електрони от NADH към O 2 включва редица носители, които са локализирани във вътрешната мембрана на митохондриите. С изключение на убихинон и цитохром С, това са сложни протеинови комплекси.

NADH-дехидрогеназата (NADH-Q-редуктаза, комплекс I) се състои от няколко полипептидни вериги. Ролята на протезната група играе FMN. Единственият субстрат на ензима е NADH, от който 2 електрона и един протон се прехвърлят към FMN, за да се образува FMNH 2 . Вторият протон се абсорбира от матрицата. Реакцията протича по уравнението:

NADH + H + + E (FMN) → NAD + + E (FMNH 2)

След това от FMNH 2 електроните се прехвърлят към редица желязо-сярни протеини (FeS), които играят ролята на втората простетична група в молекулата на NADH-дехидрогеназата. Атомите на желязото в тези протеини (нехемово желязо) са събрани в няколко групи, така наречените желязо-сярни центрове. FeS центровете са част от много протеини (флавопротеини, цитохроми), участващи в редокс реакции. Известни са три вида FeS центрове (FeS, Fe 2 S 2, Fe 4 S 4), в които железният атом е свързан със серния атом на цистеин или неорганични серни остатъци. Структурата на центровете желязо-сяра е показана на фиг. 6-7.

NADH-дехидрогеназата съдържа няколко центъра от типа Fe 2 S 2 и Fe 4 S 4. Атомите на желязото в такива центрове могат да приемат и отдават електрони на свой ред, превръщайки се във феро- (Fe 2+) и фери- (Fe 3+) състояния. От желязо-сярните центрове електроните се прехвърлят към коензим Q (убихинон) (фиг. 6-8).

Означението за този мастноразтворим хинон идва от първата буква на английското наименование на хинон ( хинон), а името убихинон отразява широкото му разпространение в природата ( вездесъщ- повсеместен). Молекулите на убихинона, в зависимост от източника, от който са изолирани, се различават по дължината на въглеводородната верига, която при бозайниците съдържа 10 изопреноидни единици и се обозначава като Q 10 . В процеса на пренос на електрон от NADH дехидрогеназа през FeS до убихинон, той се превръща обратимо в хидрохинон. Убихинонът изпълнява събирателна функция, като приема електрони от NADH дехидрогеназа и други флавин-зависими дехидрогенази, по-специално от сукцинат дехидрогеназа. Убихинонът участва в реакции като:

E (FMNH 2) + Q → E (FMN) + QH 2.

Ориз. 6-6. Структурни формули на работната част на коензимите FAD и FMN.По време на реакцията FAD и FMN получават 2 електрона и, за разлика от NAD +, и двата губят протон от субстрата.

Ориз. 6-7. Структурата на желязо-сярните центрове. I - FeS център; железният атом е свързан чрез координационни връзки с четири серни атома, принадлежащи към четирите цистеинови остатъка в протеина. II - Fe 2 S 2 -център; всеки от двата железни атома е координиран с два неорганични серни атома и два цистеинови остатъка в протеина; III - Fe 4 S 4 център; четири железни атома са свързани с четири серни атома и четири цистеинови остатъка в протеина. Атомите на желязото в центровете на FeS могат да бъдат в окислено (Fe 3+) или редуцирано (Fe 2+) състояние.

Ориз. 6-8. Структура на убихинон (коензим Q). n е броят на изопреноидните единици. Убихинонът може да приеме един електрон и да се превърне в семихинон или 2 електрона и да бъде напълно редуциран до хидрохинон (убихинол).

Цитохроми или хемопротеини присъстват във всички видове организми. В еукариотните клетки те са локализирани в митохондриалните мембрани и в ER. Известни са около 30 различни цитохрома. Всички цитохроми съдържат хем като простетична група (вижте раздел 1). Разнообразието им се дължи на:

• разликата в страничните вериги в структурата на темата;
• разлика в структурата на полипептидните вериги;
• разлика в начина, по който полипептидните вериги се свързват с хема.

В зависимост от способността да абсорбират светлината в определена част от спектъра, всички цитохроми се разделят на групи a, b, c. Във всяка група определени видовес уникални спектрални свойства са обозначени с цифрови индекси (b, b 1, b 2 и т.н.).

Структурните особености на различните видове цитохроми определят разликата в техния редокс потенциал. 5 вида цитохроми участват в CPE (a, a 3, b, c, c 1). С изключение на цитохром с, всички цитохроми са разположени във вътрешната мембрана на митохондриите под формата на сложни протеинови комплекси (Таблица 6-4).

QH 2-дехидрогеназата (коензим Q-цитохром с-ре-уктаза, комплекс III) се състои от 2 вида цитохроми (b 1 и b 2) и цитохром c 1. QH 2-дехидрогеназата пренася електрони от убихинол към цитохром c. В рамките на комплекс III електроните се прехвърлят от цитохроми b към FeS центрове, към цитохром c1 и след това към цитохром c. Тематични групи, като FeS центрове, прехвърлят само по един електрон всяка. Така 2 електрона се прехвърлят от молекулата QH 2 към 2 молекули цитохром b. Като междинен продукт в тези реакции на пренос на електрони е възможно образуването на свободен радикал семихинон. В цитохромите от тип b хемът не е ковалентно свързан с протеина, но в цитохромите c 1 и c той е прикрепен към протеина с помощта на тиоетерни връзки (фиг. 6-9). Тези връзки се образуват чрез добавяне на 2 цистеинови остатъка към хем виниловите групи.

Цитохром с е периферен водоразтворим мембранен протеин с молекулно тегло 12 500 D, имащ една полипептидна верига от 100 аминокиселинни остатъка и хем молекула, ковалентно свързана с полипептида.

Цитохромоксидазата (комплекс IV) се състои от 2 аа 3 цитохрома, всеки от които има място за свързване на кислорода. Цитохроми a и a 3 имат характерна желязопорфиринова простетична група, наречена хем А и се различава от хема на цитохроми c и c 1 (фиг. 6-10). Той съдържа формилова група на мястото на една от метиловите групи и въглеводородна верига на мястото на една от виниловите групи.

Друга особеност на a-a 3 комплекса е наличието в него на медни йони, свързани с протеина

Ориз. 6-9. Структура на хема на цитохроми b, c, c 1.

отчасти в така наречените CuA-центрове. Пренос на електрони комплекс а-а 3 включва реакции:

Cu + ↔ Cu 2+ + e,
Fe 2+ ↔ Fe 3+ + e.

Комплексът от цитохроми a-a 3 директно реагира с молекулярен кислород. Някои характеристики на компонентите на CPE са дадени в табл. 6-4.

Д. Организация на дихателната верига в митохондриите

Основните преносители на електрони са вградени във вътрешната мембрана на митохондриите и са организирани в 4 комплекса, подредени в определена последователност (вектор). В тази последователност техните стандартни редокс потенциали стават по-положителни, когато се доближат до кислорода (Таблица 6-3, Фигура 6-11).

Всяка връзка в тази верига е специфична по отношение на донора и акцептора на електрони.

На първия етап дехидрогеназите катализират елиминирането на водород от различни субстрати. Ако субстратите са α-хидрокси киселини малат, изоцитрат, 3-хидроксибутират, водородът се прехвърля към NAD +. Полученият NADH в дихателната верига на свой ред се окислява от NADH дехидрогеназа (комплекс I).

Таблица 6-4. Компоненти на митохондриалната електротранспортна верига

Име на компонента	Протетична група	Донор д	Акцептор д
NADH дехидрогеназа, комплекс I	FMN, FeS	NADH	KoQ
Коензим Q, убихинон		NADH	Комплекс III (пр.н.е. 1)
pH 2 -дехидрогеназа, комплекс III	FeS, хем b 1 (562), хем b 2 (566), хем c 1	Бърза помощ 2	Цитохром c
Цитохром c	Скъпоценен камък с	Комплекс III	Комплекс IV
Цитохромоксидаза, комплекс IV	скъпоценен камък А Сu 2+	Цитохром c	O2
Сукцинат дехидрогеназа, комплекс II	FAD, FeS	Сукцинат	KoQ

Ориз. 6-11. Промяна в свободната енергия по време на преноса на електрони по CPE. E-FMN - комплекс I; E-FAD - комплекс II; b-c 1 - комплекс III; аа 3 - комплекс IV.

Ако съединения като сукцинат или глицерол-3-фосфат служат като субстрат, FAD-зависимите дехидрогенази служат като акцептор на водород. От NADH и FADH 2 електроните и протоните се прехвърлят към убихинона и по-нататък през цитохромната верига към молекулярен кислород.

Все още не е известно как точно са разположени всички електронни носители на дихателната верига. Установено е обаче, че има известна асиметрия в подреждането на респираторните комплекси: някои от протеините-носители са по-близо до страната на вътрешната мембрана, която е обърната към матрицата, докато други са към противоположната страна; някои протеини проникват през мембраната (виж Фиг. 6-4).

Инхибитори на дихателната верига

Изследването на последователността на преноса на електрони беше улеснено от изследването на действието на специфични инхибитори, които блокират определени етапи от този процес (фиг. 6-12). Електронните носители във веригата непосредствено преди блокирания етап стават по-редуцирани, а тези след този етап стават по-окислени. Това може да се открие с помощта на спектрофотометър, тъй като окислените и редуцирани форми на носители имат различни спектри на абсорбция.

Ориз. 6-12. Места на действие на CPE инхибитори.Инхибитори на NADH-дехидрогеназата: ротенонът е силно токсично вещество, намиращо се в някои водорасли и е отровно за рибите; амитал е лекарство от групата на барбитуратите. QH 2 дехидрогеназен инхибитор - антимицин А, токсичен антибиотик, произведен от един от щамовете Streptomyces. Инхибитори на цитохромоксидазата - цианид, CO, H 2 S. Цианидът е най-токсичен за хората; той се свързва с Fe 3+ на цитохромоксидазата и блокира преноса на електрони към кислорода.

УРАЛСКА ДЪРЖАВНА МЕДИЦИНСКА АКАДЕМИЯ

Катедра по биоорганична и биологична химия

КУРСОВА РАБОТА ПО ТЕМАТА:

биологично окисление.

Изпълнители:студенти

педиатрични

факултет 223 групи

Заруба Н.С., Чащина Е.Е.

Ръководител:доцент,

Доцент доктор Трубачев С.Д.

Рецензент:

Екатеринбург 2002 г.

I. Въведение…………………………………………………………………...3

II. Общи идеи за биологичното окисление.

Редокс системи и потенциали……..3

III. Начини за използване на кислород в клетката……………………………...5

Оксидазен път за използване на кислород. Митохондриите.

Ензими, тяхната локализация и значение в окислителните процеси…….5

IV. Етапи на използване на енергия на хранителни вещества ………………… ... 6

V. Окислително фосфорилиране…………………………………………9

Хемиосмотичната теория на Мичъл……………….………………..9

Редокс - верига на окислително фосфорилиране………………10

VI. Цикъл на Кребс……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………21

Откриване на КТК………………………………………………………..22

Реакции, ензими. Регламент…………………………………...23

VII. Макроергични съединения и връзки……………………………...29

VIII. Витамин RR. Участие в окислителни процеси…………………….30

IX. Микрозомално окисление……………………………………………31

Монооксигеназни реакции…………………………………………31

Диоксигеназни реакции…………………………………………….32

Цитохроми……………………………………………………………32

X. Пероксидазен път на използване на кислорода…………………..33

XI. Ензимна антиоксидантна защита…………………………34

Супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза………………….34

XII. Неензимна антиоксидантна защита………………………35

Витамини C, E и P…………………………………………….…...35

XIII. Заключение……………………………………………………………..38

XIV. Използвана литература……………………………………………………..39

Въведение.

В химията окислението се определя като отстраняване на електрони, докато редукцията се определя като добавяне на електрони; това може да се илюстрира с примера на окисляването на феро-йон до ферийон:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Оттук следва, че окислението винаги е придружено от редукция на акцептора на електрони. Този принцип на окислително-редукционните процеси е еднакво приложим за биохимичните системи и характеризира естеството на процесите на биологично окисление.

Въпреки че някои бактерии (анаероби) живеят при липса на кислород, животът на висшите животни зависи изцяло от доставката на кислород. Кислородът се използва главно в процеса на дишане - последният може да се определи като процес на улавяне на клетъчна енергия под формата на АТФ по време на контролирано добавяне на кислород с водород за образуване на вода. В допълнение, молекулярният кислород е включен в различни субстрати с участието на ензими, наречени оксигенази. Много лекарства, чужди за тялото вещества, канцерогени (ксенобиотици) се атакуват от ензими от този клас, които заедно се наричат ​​цитохром Р 450.

Хипоксичните нарушения на клетъчния метаболизъм заемат водещо място в патогенезата на критичните състояния. Основната роля във формирането на необратимост на патологичните процеси се приписва на екстремни прояви на нарушения на клетъчния метаболизъм. Адекватното снабдяване на клетката с кислород е основното условие за поддържане на нейната жизнеспособност.

Въвеждането на кислород може да спаси живота на пациенти с нарушено дишане или кръвообращение. Кислородната терапия с високо налягане се използва успешно в някои случаи; все пак трябва да се отбележи, че интензивната или продължителна кислородна терапия под високо налягане може да причини кислородна токсичност.

Когато пишехме тази работа, имахме цел: да изучим биологичното окисление и неговото значение в живота на клетката и на организма като цяло. За това сме взели предвид:

Използването на кислород от клетката;

Клетъчни енергийни източници - цикъл на лимонената киселина (цикъл на Кребс), окислително фосфорилиране;

микрозомално окисление;

Антиоксидантна защита

Общи идеи за биологичното окисление.

Редокс системи и потенциали.

Източникът на енергия, използван за извършване на всички видове работа (химическа, механична, електрическа и осмотична), е енергията на химическото свързване. Освобождаването на енергия от въглехидрати, мазнини, протеини и други органични съединения става по време на техния редокс разпад. Освободената енергия се изразходва за синтеза на АТФ.

Промяната в свободната енергия, която характеризира реакциите на окисление и редукция, е пропорционална на способността на реагентите да отдават или приемат електрони. Следователно промяната в свободната енергия на редокс процеса може да се характеризира не само със стойността на DG 0 ", но и със стойността на редокс потенциала на системата (Eo). Обикновено редокс потенциалът на системата е в сравнение с потенциала на водородния електрод, приемайки последния за нула, 0V при pH \u003d 0. Въпреки това, за биологичните системи е по-удобно да се използва редокс потенциалът при pH \u003d 7,0 (Eo "); при това pH потенциалът на водородния електрод е -0,42V.

Използвайки таблица 1, може да се предскаже в каква посока ще се движи електронният поток при конюгиране на една редокс система.

Таблица 1. Стандартни потенциали на някои редокс системи.

Начини за използване на кислород в клетката.

Има три начина за използване на кислород в клетката, които се характеризират със следните реакции:

1) оксидазен път (90% от входящия кислород се редуцира до H 2 O с участието на ензима цитохромоксидаза)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) оксигеназен път (включване в субстрата на един кислороден атом - монооксигеназен път, два кислородни атома - диоксигеназен път) - монооксигеназен път

Диоксигеназен път

3) свободнорадикален път (минава без участието на ензими и не се образува АТФ).

Оксидазен път за използване на кислород. Митохондриите. Ензими, тяхната локализация и значение в процеса на окисление.

Митохондриите с право се наричат ​​"енергийни станции" на клетката, тъй като именно в тези органели се улавя основно енергията, доставяна от окислителните процеси. Митохондриалната система на конюгиране на окислителните процеси с генерирането на високоенергийния междинен ATP се нарича окислително фосфорилиране.

Митохондриите имат външна мембрана, която е пропусклива за повечето метаболити, и селективно пропусклива вътрешна мембрана с много гънки (кристи), изпъкнали към матрицата (вътрешното пространство на митохондриите). Външната мембрана може да бъде отстранена чрез третиране с дигитонин; характеризира се с наличието на моноаминооксидаза и някои други ензими (напр. ацил-КоА синтетаза, глицерофосфат ацилтрансфераза, моноацилглицерофосфат ацилтрансфераза, фосфолипаза А2). Интермембранното пространство съдържа аденилат киназа и креатинкиназа. Фосфолипидът кардиолипин е локализиран във вътрешната мембрана.

Матрицата съдържа разтворими ензими от цикъла на лимонената киселина и ензими на b-окисление на мастни киселини; следователно има нужда от механизми за транспортиране на метаболити и нуклеотиди през вътрешната мембрана. Сукцинат дехидрогеназата е локализирана върху вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана, където пренася редуктивните еквиваленти на дихателната верига на ниво убихинон (заобикаляйки първата редокс верига). 3-хидроксибутират дехидрогеназата е локализирана от страната на матрицата на вътрешната митохондриална мембрана. Глицерол-3-фосфат дехидрогеназата се намира на външната повърхност на вътрешната мембрана, където участва във функционирането на глицерофосфатния совалков механизъм.

Етапи на енергийно използване на хранителните вещества.

Енергийното оползотворяване на хранителните вещества е сложен процес, протичащ на три етапа по следната схема:

Схема 1. Етапи на катаболизма на хранителните вещества.

На етап 1 големите полимерни молекули се разпадат на мономерни субединици: протеините на аминокиселини, полизахаридите на захари и мазнините на мастни киселини и холестерол. Този предварителен процес, наречен храносмилане, се извършва главно извън клетките чрез действието на ензими, секретирани в кухината на храносмилателния тракт. На етап 2 образуваните малки молекули навлизат в клетките и се подлагат на допълнително разцепване в цитоплазмата. Повечето от въглеродните и водородните атоми на захарите се превръщат в пируват, който, след като проникне в митохондриите, образува там ацетилната група на реактивното съединение на ацетил коензим А (ацетил-КоА). По време на окисляването на мастните киселини също се образува голямо количество ацетил-КоА. На етап 3 ацетилната група на ацетил-КоА се разцепва напълно до CO 2 и H 2 O. Именно в този краен етап се образува по-голямата част от АТФ. В поредица от свързани химични реакции повече от половината от енергията, която според теоретичните изчисления може да бъде извлечена от въглехидратите и мазнините, когато те се окисляват до H 2 O и CO 2, се използва за извършване на енергийно неизгодната реакция F n + ADP ® ATP. Тъй като останалата част от енергията, освободена по време на окисляването, се освобождава от клетката под формата на топлина, резултатът от образуването на АТФ е цялостно увеличаване на безпорядъка на Вселената, което е в пълно съответствие с втория закон на термодинамиката.

Чрез образуването на АТФ енергията, първоначално извлечена чрез окисление от въглехидрати и мазнини, се превръща в по-удобна концентрирана форма на химическа енергия. В разтвор, разположен във вътреклетъчното пространство на типична клетка, има приблизително 1 милиард ATP молекули, чиято хидролиза до ADP и фосфат осигурява необходимата енергия за много енергийно неблагоприятни реакции.

Най-важната стъпка в етап 2 на катаболизма е гликолизата, последователност от реакции, водещи до разграждане на глюкозата. По време на гликолизата глюкозна молекула, съдържаща 6 въглеродни атома, се превръща в 2 пируватни молекули, съдържащи 3 въглеродни атома всяка. Тази трансформация изисква 9 последователни ензимни реакции, в които се образуват редица междинни фосфат-съдържащи съединения. (Вижте фигура 1.)

Логично, последователността от реакции на гликолиза може да бъде разделена на три етапа: 1) в реакции 1-4 (виж Фигура 1), глюкозата се превръща в три-въглероден алдехид глицералдехид-3-фосфат (две фосфатни групи са необходими за тази трансформация, и необходимата енергия се освобождава по време на хидролиза ATP); 2) в реакции 5-6 алдехидната група на всяка молекула глицералдехид-3-фосфат се окислява до карбоксил и освободената в този случай енергия се изразходва за синтеза на АТФ от ADP и Fn; 3) в реакции 7-9 тези две фосфатни молекули, които са били прикрепени към захарта в първия етап, се прехвърлят обратно към ADP, в резултат на което се образува ATP и разходите за ATP се компенсират в етап 1.

Фигура 1. Междинни продукти на гликолиза.

Общият добив на енергия по време на гликолизата се свежда до синтеза на две молекули АТФ (на една молекула глюкоза), които са образувани в реакции 5 и 6. По този начин тези реакции са от решаващо значение за гликолизата. Тези две реакции са единствените в целия процес, при които се образува високоенергийна фосфатна връзка от Fn. Комбинираният резултат от тези две реакции е окисляването на захарния алдехид до фосфоглицеролова киселина, прехвърлянето на Fn към ADP за образуване на високоенергийна ATP връзка и редукция на NAD+ до NADH.

За повечето животински клетки гликолизата предхожда етап 3 от катаболизма, т.к млечната киселина, образувана по време на гликолизата, бързо навлиза в митохондриите, където се окислява до CO 2 и H 2 O. Въпреки това, в анаеробни организми и тъкани, способни да работят при анаеробни условия, гликолизата може да стане основният източник на клетъчен АТФ. В тези случаи пируватните молекули остават в цитозола и се превръщат в лактат, който след това се екскретира от клетката. По-нататъшното превръщане на пирувата в тези реакции за производство на енергия, наречено ферментация, е необходимо, за да се използва напълно редукционният потенциал, получен в реакция 5 на гликолизата, и по този начин да се регенерира NAD +, необходим за по-нататъшното осъществяване на гликолизата.

окислително фосфорилиране.

Окислителното фосфорилиране позволява на аеробните организми да уловят значителна част от потенциалната свободна енергия от окисляването на субстрата. Възможно обяснение за механизма на окислителното фосфорилиране се предлага от хемиосмотичната теория. Редица лекарства (напр. амобарбитал) и отрови (цианид, въглероден окис) инхибират окислителното фосфорилиране, обикновено с фатални последици. Окислителното фосфорилиране е толкова жизненоважен процес, че нарушаването на нормалния му ход е несъвместимо с живота. Това може да обясни защо са открити само малък брой генетични заболявания, засягащи тази система.

Въпреки че цикълът на лимонената киселина е част от аеробния метаболизъм, нито една от реакциите на този цикъл, водещи до образуването на NADH и FADH 2, не е пряко свързана с молекулярен кислород; това се случва само в последната серия от катаболни реакции, протичащи върху вътрешната мембрана. Почти цялата енергия, получена в ранните етапи на окисление от изгарянето на въглехидрати, мазнини и други хранителни вещества, първоначално се съхранява под формата на високоенергийни електрони, пренасяни от NADH и FADH. След това тези електрони взаимодействат с молекулярния кислород в дихателната верига. Тъй като голямо количество от освободената енергия се използва от ензимите на вътрешната мембрана за синтезиране на АТФ от ADP и Pn, тези последни реакции се наричат ​​окислително фосфорилиране.

Синтезът на АТФ в реакциите на окислително фосфорилиране, протичащи в дихателната верига, зависи от хемиосмотичен процес . Механизмът на този процес, предложен за първи път през 1961 г., направи възможно решаването на проблем, който отдавна е изправен пред клетъчната биология.

По-рано се смяташе, че енергията за синтеза на АТФ в дихателната верига се осигурява от същия механизъм, както при фосфорилирането на субстрата: предполагаше се, че енергията на окисление се използва за образуване на високоенергийна връзка между фосфатната група и някакво междинно съединение , и че превръщането на ADP в ATP се извършва от сметката на енергията, освободена при разкъсване на връзката. Въпреки това, въпреки интензивните търсения, предполагаемият междинен продукт не беше открит.

Според хемиосмотичната хипотеза, вместо богати на енергия междинни продукти, има пряка връзка между химични процеси („хеми ...“) и транспорт (осмотичен, от гръцки osmos - тласък, налягане) - хемиосмотично свързване.

Химиосмотичната хипотеза, предложена в началото на 60-те години, включва четири независими постулата относно функцията на митохондриите:

1. Митохондриалната дихателна верига, разположена във вътрешната мембрана, е в състояние да движи протони; когато електроните преминават през дихателната верига, Н + се "изпомпва" от матрицата.

2. Митохондриалният АТФ синтетазен комплекс също премества протоните през вътрешната мембрана. Тъй като този процес е обратим, ензимът може не само да използва енергията на хидролизата на АТФ за транспортиране на H + през мембраната, но с достатъчно голям протонен градиент, протоните започват да "текат" през АТФ синтетазата в обратна посока, което е придружено чрез синтез на АТФ.

3. Вътрешната мембрана на митохондриите е непропусклива за H + , OH - и изобщо всички аниони и катиони.

4. Вътрешната митохондриална мембрана съдържа редица протеини-носители, които извършват транспорта на необходимите метаболити и неорганични йони.

Преминаването на високоенергийни електрони, доставени от NADH и FADH 2 през дихателната верига на вътрешната митохондриална мембрана от един носител към следващия, освобождава енергия, която се използва за изпомпване на протони (H +) през вътрешната мембрана от матрицата в междумембранно пространство. (вижте снимка 2)

Фигура 2. Протонен трансфер с участието на АТФ синтазната система (модел на Мичъл).

В резултат на това върху вътрешната мембрана се създава електрохимичен протонен градиент; Енергията на обратния ток на протоните "надолу" по този градиент се използва от свързания с мембраната ензим АТФ синтетаза, който катализира образуването на АТФ от АДФ и Pn, т.е. последният етап на окислителното фосфорилиране.

Редокс верига на окислително фосфорилиране.

Електроните се прехвърлят от NADH към кислорода чрез три големи ензимни комплекса на дихателната верига. Въпреки че механизмите за извличане на енергия в дихателната верига и в други катаболни реакции са различни, те се основават на общи принципи. Реакцията H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O се разделя на много малки "стъпки", така че освободената енергия да може да се преобразува в свързани форми, вместо да се разсейва като топлина. Както при образуването на ATP и NADH в гликолизата или в цикъла на лимонената киселина, това се дължи на използването на индиректен път. Но уникалността на дихателната верига се състои в това, че тук, на първо място, водородните атоми се разделят на електрони и протони. Електроните се прехвърлят чрез серия от носители , вградени във вътрешната митохондриална мембрана. Когато електроните достигнат края на тази електронна транспортна верига, протоните са там, за да неутрализират отрицателния заряд, който възниква, когато електроните преминават към кислородната молекула.

Нека проследим процеса на окисление, започвайки с образуването на NADH, основният акцептор на реактивни електрони, извлечени по време на окисляването на молекулите на хранителните вещества. Всеки водороден атом се състои от един електрон и един протон. Всяка молекула NADH носи хидриден йон (водороден атом + допълнителен електрон, H:-), а не само водороден атом. Въпреки това, поради наличието на свободни протони в околния воден разтвор, трансферът на хидриден йон в състава на NADH е еквивалентен на трансфера на два водородни атома или водородна молекула (H: - + H + ® H 2) .

Преносът на електрони по дихателната верига започва с отстраняването на хидриден йон (H: -) от NADH; в този случай NAD + се регенерира и хидридният йон се превръща в протон и два електрона (H: - ® H + + 2e -). Тези електрони отиват при първия от над 15 различни носители на електрони в дихателната верига. В този момент електроните имат много голямо количество енергия, чийто запас постепенно намалява, докато преминават през веригата. Най-често електроните се движат от един метален атом към друг, като всеки от тези атоми е здраво свързан с протеинова молекула, което влияе на неговия електронен афинитет. Важно е да се отбележи, че всички протеини-носители на електрони са групирани в три големи комплекса от респираторни ензими, всеки от които съдържа трансмембранни протеини, които здраво фиксират комплекса във вътрешната митохондриална мембрана. Всеки следващ комплекс има по-голям афинитет към електроните от предишния. Електроните последователно преминават от един комплекс в друг, докато накрая преминат към кислорода, който има най-висок електронен афинитет.

Енергията, освободена по време на транспортирането на електрони по дихателната верига, се съхранява под формата на електрохимичен протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана.

Окислителното фосфорилиране е възможно поради тясната връзка на електронните носители с протеиновите молекули. Протеините насочват електроните по дихателната верига, така че те преминават последователно от един ензимен комплекс към друг, без да "скачат" през междинните звена. Особено важно е, че прехвърлянето на електрони е свързано с алостерични промени в определени протеини на молекули, в резултат на което енергийно благоприятен поток от електрони предизвиква изпомпване на протони (Н +) през вътрешната мембрана от матрицата в интермембраната. пространство и по-нататък извън митохондриите. Движението на протоните води до две важни последици: 1) между двете страни на вътрешната мембрана се създава рН градиент - в матрицата рН е по-високо отколкото в цитозола, където стойността на рН обикновено е близо до 7,0 (тъй като малки молекули свободно преминават през външната мембрана на митохондриите, pH в междумембранното пространство ще бъде същото като в цитозола); 2) върху вътрешната мембрана се създава градиент на напрежение (мембранен потенциал), като вътрешната страна на мембраната се зарежда отрицателно, а външната страна е положително заредена. Градиентът на рН (DрН) кара Н+ йоните да се връщат обратно в матрицата, а ОН йоните да излизат от матрицата, което засилва ефекта на мембранния потенциал, под влиянието на който всеки положителен заряд се привлича към матрицата, а всеки отрицателен се изтласква от него. Комбинираното действие на тези две сили води до появата на електрохимичен протонен градиент. Електрохимичният протонен градиент създава протонна движеща сила, измерена в миливолтове (mV).

Енергията на електрохимичния протонен градиент се използва за синтез на АТФ и транспорт на метаболити и неорганични йони в матрицата.

Вътрешната мембрана на митохондриите се характеризира с необичайно високо съдържание на протеини - съдържа приблизително 70% протеин и 30% фосфолипиди от теглото. Много от тези протеини са част от електронната транспортна верига, която поддържа протонния градиент през мембраната. Друг важен компонент - ензима АТФ синтаза, който катализира синтеза на АТФ. Това е голям протеинов комплекс, през който протоните се връщат обратно в матрицата по електрохимичен градиент. Подобно на турбина, АТФ синтетазата преобразува една форма на енергия в друга, синтезирайки АТФ от АДФ и Pn в митохондриалната матрица в реакция, съчетана с протонен поток в матрицата (виж Фигура 3).

Фигура 3. Общ механизъм на окислително фосфорилиране.

Но синтезът на АТФ не е единственият процес, който възниква поради енергията на електрохимичния градиент. В матрицата, където се намират ензимите, участващи в цикъла на лимонената киселина и други метаболитни реакции, е необходимо да се поддържат високи концентрации на различни субстрати; по-специално, АТФ синтетазата изисква АДФ и фосфат. Следователно, различни субстрати, носещи заряд, трябва да бъдат транспортирани през вътрешната мембрана. Това се постига чрез различни транспортни протеини, вградени в мембраната, много от които активно изпомпват специфични молекули срещу техните електрохимични градиенти, т.е. извършват процес, който изисква енергия. За повечето от метаболитите източникът на тази енергия е конюгацията с движението на някои други молекули "надолу" по техния електрохимичен градиент. Например, антипортовата система ADP-ATP участва в транспорта на ADP: когато всяка ADP молекула навлезе в матрицата, една ATP молекула я напуска по своя електрохимичен градиент. В същото време симпортната система свързва трансфера на фосфат в митохондриите с потока H+, насочен там: протоните навлизат в матрицата по техния градиент и в същото време „влачат“ фосфата със себе си. По подобен начин се прехвърля към матрицата и пирувата. Енергията на електрохимичния протонен градиент също се използва за прехвърляне на Ca 2+ йони в матрицата, които очевидно играят важна роля в регулирането на активността на някои митохондриални ензими.

Колкото повече енергия от електрохимичния градиент се изразходва за преноса на молекули и йони към митохондриите, толкова по-малко остава за синтеза на АТФ. Например, ако изолирани митохондрии се поставят в среда с високо съдържание на Ca 2 +, те напълно ще спрат синтеза на АТФ; цялата енергия на градиента ще бъде изразходвана за транспортирането на Ca 2+ към матрицата. В някои специализирани клетки електрохимичният протонен градиент е "шунтиран" по такъв начин, че митохондриите произвеждат топлина вместо синтез на АТФ. Очевидно клетките са в състояние да регулират използването на енергията на електрохимичния протонен градиент и да я насочват към онези процеси, които са най-важни в момента.

Бързото превръщане на ADP в ATP в митохондриите прави възможно поддържането на високо съотношение на концентрациите на ATP/ADP в клетките. С помощта на специален протеин, вграден във вътрешната мембрана, ADP се транспортира в матрицата в замяна на ATP според принципа на антипорта. В резултат на това ADP молекулите, освободени по време на хидролизата на АТФ в цитозола, бързо навлизат в митохондриите за „презареждане“, докато АТФ молекулите, образувани в матрицата по време на окислителното фосфорилиране, също бързо излизат в цитозола, където са необходими. В човешкото тяло ATP молекули на ден, което прави възможно поддържането на концентрация на ATP в клетката, която е повече от 10 пъти по-висока от концентрацията на ADP.

В процеса на окислително фосфорилиране всяка двойка NADH електрони осигурява енергия за образуването на приблизително три ATP молекули. Двойка FADH 2 електрони, която има по-ниска енергия, осигурява енергия за синтеза само на две ATP молекули. Средно всяка молекула ацетил-CoA, влизаща в цикъла на лимонената киселина, дава около 12 ATP молекули. Това означава, че когато една молекула глюкоза се окислява, се образуват 24 молекули АТФ, а когато се окислява една молекула палмитат, мастна киселина с 16 въглеродни атома, се образуват 96 молекули АТФ. Ако вземем предвид и екзотермичните реакции, които предхождат образуването на ацетил-КоА, се оказва, че пълното окисление на една молекула глюкоза произвежда около 36 молекули АТФ, докато пълното окисление на палмитата произвежда около 129 молекули АТФ. Това са максималните стойности, тъй като всъщност количеството АТФ, синтезирано в митохондриите, зависи от това каква част от енергията на протонния градиент отива за синтеза на АТФ, а не за други процеси. Ако сравним промяната в свободната енергия по време на изгарянето на мазнини и въглехидрати директно до CO 2 и H 2 O с общото количество енергия, съхранявана във фосфатните връзки на ATRP в процесите на биологично окисление, се оказва, че ефективността на преобразуването на окислителната енергия в ATP енергия често надхвърля 50%. Тъй като цялата неизползвана енергия се освобождава като топлина, големите организми ще се нуждаят от по-ефективни начини за отстраняване на топлината в околната среда.

Огромното количество свободна енергия, освободена по време на окисляването, може да се използва ефективно само на малки порции. Сложният процес на окисляване включва много междинни продукти, всеки от които се различава малко от предишния. Благодарение на това освободената енергия се разгражда на по-малки количества, които могат да бъдат ефективно преобразувани с помощта на свързани реакции във високоенергийни връзки на ATP и NADH молекули.

През 1960 г. за първи път беше показано, че различни мембранни протеини, участващи в окислителното фосфорилиране, могат да бъдат изолирани без загуба на активност. От повърхността на субмитохондриалните частици беше възможно да се отделят и превърнат в разтворима форма малките протеинови структури, които ги осеяха. Въпреки че субмитохондриалните частици без тези сферични структури продължават да окисляват NADH в присъствието на кислород, синтезът на АТФ не настъпва. От друга страна, изолираните структури действат като АТФази, хидролизирайки АТФ до ADP и Pn. Когато сферични структури (наречени F1-ATPases) бяха добавени към субмитохондриални частици без такива, преоформените частици повторно синтезираха ATP от ADP и Fn.

F 1 - ATPase е част от голям, проникващ в цялата дебелина на мембранния комплекс, който се състои от най-малко девет различни полипептидни вериги. Този комплекс се нарича АТФ синтетаза; той представлява около 15% от общия протеин на вътрешната митохондриална мембрана. Много подобни АТФ синтетази се намират в мембраните на хлоропластите и бактериите. Такъв протеинов комплекс съдържа трансмембранни канали за протони и се появява само когато протоните преминават през тези канали надолу по своя електрохимичен градиент.

АТФ синтетазата може да действа в обратна посока - да разделя АТФ и да изпомпва протони. Действието на АТФ синтетазата е обратимо: тя е в състояние да използва както енергията на хидролизата на АТФ, за да изпомпва протони през вътрешната митохондриална мембрана, така и енергията на протонния поток по електрохимичния градиент, за да синтезира АТФ. По този начин АТФ синтетазата е обратима конюгираща система, която извършва взаимното преобразуване на енергията на електрохимичния протонен градиент и химичните връзки. Посоката на неговата работа зависи от връзката между стръмността на протонния градиент и локалната стойност на DG за хидролиза на АТФ.

АТФ синтетазата получи името си поради факта, че при нормални условия градиентът на npotonnoro, поддържан от дихателната верига, синтезира по-голямата част от общия АТФ на клетката. Броят на протоните, необходими за синтеза на една ATP молекула, не е точно известен. Когато протоните преминават през АТФ синтетазата, се синтезира една АТФ молекула.

Как ще работи АТФ синтетазата в даден момент - в посока синтез или хидролиза на АТФ - зависи от точния баланс между промените в свободната енергия за преминаването на три протона през мембраната в матрицата и за синтеза на АТФ в матрица. Както вече споменахме, DG стойността на syn.ATP се определя от концентрациите на три вещества в митохондриалния матрикс - ATP, ADP и Fn. С постоянна протон-движеща сила, ATP синтетазата ще синтезира ATP, докато съотношението на ATP към ADP и Fn достигне стойност, при която DG стойността на syn.ATP стане точно +15,2 kcal / mol. При такива условия синтезът на АТФ ще бъде точно балансиран чрез неговата хидролиза.

Да предположим, че поради енергоемки реакции, голямо количество АТФ внезапно се хидролизира в цитозола и това доведе до спад в съотношението АТФ:АДФ в митохондриалната матрица. В този случай DG synth. ще намалее и АТФ синтетазата отново ще премине към синтез на АТФ, докато се възстанови първоначалното съотношение АТФ:АДФ. Ако протон-движещата сила внезапно намалее и се поддържа на постоянно ниво, тогава АТФ синтетазата ще започне да разделя АТФ и тази реакция ще продължи, докато съотношението между концентрациите на АТФ и АДФ достигне някаква нова стойност (при която DG synth. ATP = +13,8 kcal/mol) и т.н.

Ако АТФ синтетазата обикновено не транспортира Н + от матрицата, тогава дихателната верига, разположена във вътрешната митохондриална мембрана при нормални условия, транспортира протони през тази мембрана, като по този начин създава електрохимичен протонен градиент, който доставя енергия за синтеза на АТФ.

Повечето от електронните носители, които изграждат дихателната верига, абсорбират светлина и тяхното окисление или редукция е придружено от промяна на цвета. Обикновено абсорбционният спектър и реактивността на всеки носител са доста характерни, което прави възможно проследяването на промените в неговите състояния с помощта на спектроскопия дори в суров екстракт. Това направи възможно изолирането на такива носители много преди истинската им функция да стане ясна. Например, цитохромите са открити през 1925 г. като съединения, които бързо се окисляват и редуцират в различни организми като дрожди, бактерии и насекоми. Чрез наблюдение на клетките и тъканите със спектроскоп беше възможно да се идентифицират три вида цитохроми, които се различаваха по спектрите на абсорбция и бяха наречени цитохроми a, b и c. . Клетките съдържат няколко типа цитохроми от всеки тип и класификацията по тип не отразява тяхната функция.

Най-простият носител на електрони е малка хидрофобна молекула, разтворена в липидния двоен слой и наречена убихинон или коензим Q. Тя е в състояние да приеме или дари един или два електрона и временно да улавя протон от средата с всеки трансфер на електрон.

Фигура 4. Структура на убихинон.

Дихателната верига съдържа три големи ензимни комплекса, вградени във вътрешната мембрана

Мембранните протеини са трудни за изолиране като непокътнати комплекси, тъй като те са неразтворими в повечето водни разтвори и вещества като детергенти и урея, необходими за тяхното разтваряне, могат да попречат на нормалните протеин-протеинови взаимодействия. Въпреки това, в началото на 1960 г. установено е, че относително леки йонни детергенти като дезоксихолат могат да разтворят някои компоненти на митохондриалната вътрешна мембрана в нативна форма. Това направи възможно идентифицирането и изолирането на трите основни свързани с мембраната респираторни ензимни комплекса по пътя от NADH към кислорода.

Фигура 5. Респираторни ензимни комплекси.

1. NADH - дехидрогеназният комплекс, най-големият от дихателните ензимни комплекси, има молекулно тегло над 800 000 и съдържа повече от 22 полипептидни вериги. Той приема електрони от NADH и ги прекарва през флавина и най-малко пет желязо-сярни центъра до_убихинон - малка мастноразтворима молекула, която отдава електрони на втория комплекс от дихателни ензими, b-c 1 комплекса.

2. Комплексът b-c 1 се състои от най-малко 8 различни полипептидни вериги и вероятно съществува като димер с молекулно тегло 500 000. Всеки мономер съдържа три цитохромни теми и желязо-сярен протеин. Комплексът приема електрони от убихинон и ги предава на цитохром с, малък периферен мембранен протеин, който след това ги прехвърля на цитохромоксидазния комплекс.

3. Цитохромоксидазният комплекс (цитохром аа 3) е най-изследваният от трите комплекса. Състои се от поне осем различни полипептидни вериги и е изолиран като димер с молекулно тегло 300 000; всеки мономер съдържа два цитохрома и два медни атома.Този комплекс приема електрони от цитохром с и ги прехвърля на кислород.

Цитохромите, желязно-серните центрове и медните атоми са способни да носят само един електрон наведнъж. Междувременно всяка молекула NADH отдава два електрона и всяка молекула O 2 трябва да приеме 4 електрона, за да образува водна молекула. Във веригата за транспортиране на електрони има няколко секции за събиране и разпределение на електрони, където се координира разликата в броя на електроните. Например, цитохромоксидазният комплекс приема 4 електрона от молекулите на цитохром с поотделно и в крайна сметка ги прехвърля към една свързана молекула O 2, което води до образуването на две водни молекули. В междинните етапи на този процес два електрона навлизат в цитохром а хема и свързания с протеина меден атом, Cu a, преди да се преместят в мястото за свързване на кислорода. На свой ред мястото за свързване на кислорода съдържа още един меден атом и цитохром а 3 хем. Въпреки това, механизмът за образуване на две водни молекули в резултат на взаимодействието на свързана молекула O 2 с четири протона не е известен точно.

В повечето клетки около 90% от целия абсорбиран кислород взаимодейства с цитохромоксидазата. Токсичността на такива отрови като цианид и азид се свързва със способността им да се прикрепят здраво към цитохромоксидазния комплекс и по този начин да блокират целия транспорт на електрони.

Двата компонента, които пренасят електрони между трите основни ензимни комплекса на дихателната верига, убихинон и цитохром с, се движат бързо чрез дифузия в равнината на мембраните.

Сблъсъците между тези мобилни носители и ензимните комплекси са достатъчни, за да обяснят наблюдаваната скорост на пренос на електрони (всеки комплекс отдава и приема един електрон на всеки 5-10 милисекунди). Следователно, няма нужда да се приема структурен ред във веригата от протеини-носители в липидния двоен слой; всъщност ензимните комплекси очевидно съществуват в мембраната като независими компоненти и подреденият трансфер на електрони се осигурява само от спецификата на функционалните взаимодействия между компонентите на веригата.

Това се подкрепя и от факта, че различните компоненти на дихателната верига присъстват в напълно различни количества. Например, в митохондриите на сърцето, за всяка молекула NADH-дехидрогеназен комплекс има 3 молекули | комплекс b-c 1 комплекс, 7 молекули на цитохромоксидазния комплекс, 9 молекули на цитохром с и 50 молекули на убихинон; много различни съотношения на тези протеини са открити в някои други клетки.

Значителен редокс спад във всеки от трите комплекса на дихателната верига доставя енергията, необходима за изпомпване на протони .

Двойка като H 2 O и ½ O 2 (или NADH и NAD +) се нарича спрегната редокс двойка, тъй като един от нейните членове се превръща в друг, ако се добавят един или повече електрони и един или повече протони (последните винаги са достатъчни във всеки воден разтвор). Така, например, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Добре известно е, че 50:50 смес от съединения, образуващи конюгирана киселинно-основна двойка, действа като буфер за поддържане на определено "протонно налягане" (рН), чиято стойност се определя от константата на дисоциация на киселината. По абсолютно същия начин, смес 50:50 от компонентите на една двойка поддържа определено "електронно налягане" или редокс потенциал (редокс потенциал) E, който служи като мярка за афинитета на молекулата носител към електрони.

Чрез поставяне на електродите в разтвор с подходящите редокс двойки може да се измери редокс потенциалът на всеки електронен носител, участващ в биологични редокс реакции. Двойките съединения с най-отрицателни стойности на редокс потенциала имат най-нисък електронен афинитет, т.е. съдържат носители с най-малка склонност да приемат електрони и най-голяма склонност да ги даряват. Например, смес от NADH и NAD + (50:50) има редокс потенциал от -320 mV, което показва много изразена способност на NADH да отдава електрони, докато редокс потенциалът на смес от равни количества H 2 O и ½O 2 е +820 mV, което означава силна тенденция от 0 2 да приема електрони.

Във всеки от трите основни респираторни комплекса се наблюдава рязък спад. Потенциалната разлика между всеки_два електронни носителя е право пропорционална на енергията, освободена, когато електрон преминава от един носител към друг. Всеки комплекс действа като устройство за преобразуване на енергия, насочвайки тази свободна енергия за преместване на протони през мембраната, което води до създаването на електрохимичен протонен градиент, докато електроните преминават през веригата.

За да работи механизмът за преобразуване на енергията, който е в основата на окислителното фосфорилиране, е необходимо всеки ензимен комплекс от дихателната верига да бъде ориентиран във вътрешната митохондриална мембрана по определен начин - така че всички протони да се движат в една посока, т.е. извън матрицата. . Тази векторна организация на мембранните протеини е демонстрирана с помощта на специални сонди, които не преминават през мембраната, които маркират комплекса само от едната страна на мембраната. Специфичната ориентация в двуслойния слой е характерна за всички мембранни протеини и е много важна за тяхната функция.

Механизми на изпомпване на протони от компоненти на дихателната верига.

В процеса на окислително фосфорилиране, когато една молекула NADH се окислява (т.е. когато два електрона преминават през всичките три ензимни комплекса), не се образуват повече от три ATP молекули. Ако приемем, че обратното преминаване на три протона през АТФ синтетазата осигурява синтеза на една АТФ молекула, ще бъде възможно да се заключи, че средно прехвърлянето на един електрон от всеки комплекс е придружено от движението на един и a половин протони (с други думи, по време на транспортирането на един електрон някои комплекси прехвърлят един протон, докато други - два протона). Вероятно различните компоненти на дихателната верига имат различни механизми на конюгиране на електронния транспорт с движението на протоните. Алостеричните промени в конформацията на протеинова молекула, свързани с транспорта на електрони, могат по принцип да бъдат придружени от "изпомпване" на протони, точно както протоните се движат, когато действието на АТФ синтетазата е обърнато. С прехвърлянето на всеки електрон хинонът улавя протон от водната среда, който след това го отдава, когато се освободи електрон. Тъй като убихинонът се движи свободно в липидния двоен слой, той може да приема електрони близо до вътрешната повърхност на мембраната и да ги прехвърля към b-c 1 комплекса близо до външната й повърхност, като премества един протон през двойния слой за всеки прехвърлен електрон. Използвайки по-сложни модели, може също да се обясни движението на два протона на електрон от комплекса b-c 1, като се приеме, че убихинонът многократно преминава през комплекса b-c 1 в определена посока.

Обратно, молекулите, които отдават електрони на цитохромоксидазния комплекс, не изглеждат протонни транспортери, в който случай транспортът на електрони вероятно е свързан с определена алостерична промяна в конформацията на протеиновите молекули, в резултат на което някои части на самия протеинов комплекс пренася протони.

Разрушително действие.

От 1940 г. са известни редица липофилни слаби киселини, които могат да действат като разединителни агенти, т.е. нарушават свързването на електронния транспорт със синтеза на АТФ. Когато тези органични съединения с ниско молекулно тегло се добавят към клетките, митохондриите спират синтеза на АТФ, като същевременно продължават да абсорбират кислород. В присъствието на разединяващ агент скоростта на транспортиране на електрони остава висока, но не се създава протонен градиент. Това е просто обяснение за този ефект: разединяващите агенти (напр. динитрофенол, тироксин) действат като Н+ транспортери (Н+ йонофори) и отварят допълнителен път — вече не чрез АТФ синтетаза — за Н+ поток през вътрешната митохондриална мембрана.

Дихателен контрол.

Когато разединяващ агент, като динитрофенол, се добави към клетките, поглъщането на кислород от митохондриите се увеличава значително, тъй като скоростта на пренос на електрони се увеличава. Това ускорение е свързано с наличието на дихателен контрол. Смята се, че този контрол се основава на директния инхибиторен ефект на електрохимичния протонен градиент върху електронния транспорт. Когато електрохимичният градиент изчезне в присъствието на разединител, неконтролираният електронен транспорт достига максималната си скорост. Увеличаването на градиента забавя дихателната верига и транспортирането на електрони се забавя. Освен това, ако в експеримента върху вътрешната мембрана изкуствено се създаде необичайно висок електрохимичен градиент, тогава нормалният транспорт на електрони ще спре напълно и в някои части на дихателната верига ще бъде възможно да се открие обратен поток от електрони. . Това предполага, че респираторният контрол отразява прост баланс между промяната в свободната енергия по време на движението на протоните, свързана с транспорта на електрони, и промяната в свободната енергия по време на самия транспорт на електрони.Величината на електрохимичния градиент влияе както на скоростта, така и на посоката на електрона трансфер, както и върху посоката на действие на АТФ синтетазата.

Дихателният контрол е само част от сложна система от взаимосвързани регулаторни механизми за обратна връзка, които координират скоростите на гликолизата, разграждането на мастни киселини, реакциите на цикъла на лимонената киселина и транспорта на електрони. Скоростите на всички тези процеси зависят от съотношението на АТФ:АДФ - те се увеличават, когато това съотношение намалява в резултат на увеличеното използване на АТФ. Например, АТФ синтетазата на вътрешната митохондриална мембрана работи по-бързо, когато концентрациите на нейните субстрати, т.е. ADP и Pn, се повишат. Колкото по-висока е скоростта на тази реакция, толкова повече протони се вливат в матрицата, като по този начин електрохимичният градиент се разсейва по-бързо; а намаляването на градиента, от своя страна, води до ускоряване на електронния транспорт.

Митохондриите в кафявата мастна тъкан са генератори на топлина.

Всички гръбначни животни в млада възраст изискват термогенно устройство за генериране на топлина, в допълнение към механизма на мускулен тремор. Такова устройство е особено важно за зимуващи животни. Мускулите при тремор се свиват дори при липса на упражнения, като използват контрактилни протеини, за да хидролизират АТФ по обичайния начин за мускулните клетки и освобождават под формата на топлина цялата енергия, потенциално налична от хидролизата на АТФ. Необходимостта от специално термогенно устройство се определя от силно свързаното окислително фосфорилиране на нормалните митохондрии. Ако този процес може да бъде отделен, както се случва в присъствието на динитрофенол, той може да служи като подходящо устройство за производство на топлина; така се случва в митохондриите на кафявата мазнина. Въпреки че тези митохондрии имат конвенционална обратима АТФ-аза, те също имат трансмембранна протонна транслоказа, през която протоните могат да се върнат в матрицата и електрически да шунтират АТФ-азната активност. Ако този процес е достатъчен, за да поддържа редокс потенциала на водорода доста под 200 mV, синтезът на АТФ става невъзможен и процесът на окисление протича свободно, в резултат на което цялата енергия се освобождава като топлина.

Цикъл на лимонената киселина (цикъл на трикарбоксилната киселина, цикъл на Кребс).

Цикълът на лимонената киселина е поредица от реакции, протичащи в митохондриите, по време на които ацетилните групи се катаболизират и се освобождават водородни еквиваленти; по време на окисляването на последния се доставя свободната енергия на горивните ресурси на тъканите. Ацетиловите групи се намират в ацетил-КоА (активен ацетат), тиоестерът на коензим А.

Основната функция на цикъла на лимонената киселина е, че той е общият краен път за окисление на въглехидрати, протеини и мазнини, тъй като глюкозата, мастните киселини и аминокиселините се метаболизират или в ацетил-КоА, или в междинни продукти на цикъла. Цикълът на лимонената киселина също играе важна роля в процесите на глюконеогенеза, трансаминиране, дезаминиране и липогенеза.Въпреки че редица от тези процеси се случват в много тъкани, черният дроб е единственият орган, в който се извършват всички тези процеси. Следователно увреждането на голям брой чернодробни клетки или тяхното заместване със съединителна тъкан причинява сериозни последствия. Жизненоважната роля на цикъла на лимонената киселина се доказва и от факта, че при хората почти няма известни генетични промени в ензимите, които катализират реакциите на цикъла, тъй като наличието на такива нарушения е несъвместимо с нормалното развитие.

Откриване на КТК.

Съществуването на такъв цикъл за окисляване на пируват в животински тъкани е предложено за първи път през 1937 г. от Ханс Кребс. Тази идея се ражда от него, когато той изучава ефекта на аниони на различни органични киселини върху скоростта на усвояване на кислород от суспензии от натрошени гълъбови гръдни мускули, в които се окислява пируватът. Гръдните мускули се характеризират с изключително висока интензивност на дишане, което ги прави особено удобен обект за изследване на окислителната активност. Кребс също потвърди, че други органични киселини, открити преди това в животински тъкани (янтарна, ябълчена, фумарова и оксалоцетна) стимулират окислението на пируват. Освен това той установи, че окислението на пирувата от мускулната тъкан се стимулира от шествъглеродни трикарбоксилни киселини - лимонена, цис-аконитова и изолимонена, както и от пет-въглеродна а-кетоглутарова киселина. Тествани са няколко други естествено срещащи се органични киселини, но нито една от тях не е показала подобна активност. Самото естество на стимулиращия ефект на активните киселини привлече вниманието: дори малко количество от която и да е от тях беше достатъчно, за да предизвика окисляването на многократно повече пируват.

Прости експерименти, както и логически разсъждения позволиха на Кребс да предположи, че цикълът, който той нарече цикъл на лимонената киселина, е основният път за окисляване на въглехидратите в мускулите. След това цикълът на лимонената киселина е открит в почти всички тъкани на висши животни и растения и в много аеробни микроорганизми. За това важно откритие Кребс получава Нобелова награда през 1953 г. Юджийн Кенеди и Алберт Ленингер по-късно показаха, че всички реакции от цикъла на лимонената киселина протичат в митохондриите на животинските клетки. В изолирани митохондрии на черен дроб на плъх са открити не само всички ензими и коензими от цикъла на лимонената киселина; тук, както се оказа, са локализирани всички ензими и протеини, които са необходими за последния етап на дишането, т.е. за електронен трансфер и окислително фосфорилиране. Следователно митохондриите с право се наричат ​​"електростанции" на клетката.

Катаболитна роля на цикъла на лимонената киселина

Цикълът започва с взаимодействието на молекулата на ацетил-КоА с оксалооцетната киселина (оксалоацетат), което води до образуването на шест въглеродна трикарбоксилна киселина, наречена лимонена киселина. Това е последвано от поредица от реакции, по време на които се освобождават две молекули CO2 и се регенерира оксалоацетат. Тъй като количеството оксалоацетат, необходимо за превръщането на голям брой ацетилови единици в CO 2, е много малко, можем да предположим, че оксалоацетатът играе каталитична роля.

Цикълът на лимонената киселина е механизмът, който улавя по-голямата част от свободната енергия, освободена по време на окисляването на въглехидрати, липиди и протеини. По време на окисляването на ацетил-КоА, поради активността на редица специфични дехидрогенази, се образуват редуциращи еквиваленти под формата на водород или електрони. Последните влизат в дихателната верига; по време на функционирането на тази верига възниква окислително фосфорилиране, т.е. синтезира се АТФ.

Ензимите от цикъла на лимонената киселина са локализирани в митохондриалната матрица, където се намират или в свободно състояние, или върху вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана; в последния случай се улеснява прехвърлянето на редуциращи еквиваленти към ензимите на дихателната верига, локализирани във вътрешната митохондриална мембрана.

CTC реакции.

Първоначалната реакция, кондензацията на ацетил-CoA и оксалоацетат, се катализира от кондензиращия ензим, цитрат синтетаза, и се образува връзка въглерод-въглерод между метиловия въглерод на ацетил-CoA и карбонилния въглерод на оксалоацетата. Реакцията на кондензация, водеща до образуването на цитрил-КоА, е последвана от хидролиза на тиоетерната връзка, придружена от загуба на голямо количество свободна енергия под формата на топлина; това определя протичането на реакцията отляво надясно, докато тя приключи:

Ацетил-CoA + Оксалоацетат + H 2 O → Цитрат + CoA-SH

Превръщането на цитрат в изоцитрат се катализира от аконитаза, съдържаща двувалентно желязо. Тази реакция протича на два етапа: първо настъпва дехидратация с образуването на цис-аконитат (част от него остава в комплекс с ензима), а след това хидратация и образуване на изоцитрат:

Цитрат ↔ цис-Аконитат ↔ Изоцитрат - H 2 O

Реакцията се инхибира от флуороацетат, който първо се превръща във флуороацетил-КоА; последният кондензира с оксалоацетат, за да образува флуороцитрат. Флуороцитратът е директен инхибитор на аконитазата; цитратът се натрупва при инхибиране.

Експериментите с междинни продукти показват, че аконитазата взаимодейства с цитрата асиметрично: тя винаги действа върху частта от цитратната молекула, която е образувана от оксалоацетат. Възможно е цис-аконитатът да не е задължително междинно звено между цитрат и изоцитрат и да се образува в страничния клон на главния път.

Освен това изоцитрат дехидрогеназата катализира дехидрогенирането с образуването на оксалосукцинат. Описани са три различни форми на изоцитрат дехидрогеназа. Един от тях, NAD-зависимият, се намира само в митохондриите. Другите две форми са NADP-зависими, едната от които също се намира в митохондриите, а другата в цитозола. Окисляването на изоцитрат, свързано с работата на дихателната верига, се извършва почти изключително от NAD-зависим ензим:

Изоцитрат + NAD + ↔ Оксалосукцинат (в комплекс с ензима) ↔ алфа-кетоглутарат + CO 2 + NADH 2

Фигура 5. Реакции в цикъла на Кребс.

Това е последвано от декарбоксилиране с образуване на алфа-кетоглутарат, който също се катализира от изоцитрат дехидрогеназа. Важен компонент на реакцията на декарбоксилиране са Mg 2+ (или Mn 2+) йони. Съдейки по наличните данни, оксалосукцинатът, образуван в междинния етап на реакцията, остава в комплекс с ензима.

Алфакетоглутаратът от своя страна претърпява окислително декарбоксилиране, подобно на това на пирувата: и в двата случая субстратът е алфакетокиселина. Реакцията се катализира от алфа-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс и изисква участието на същия набор от кофактори - тиамин дифосфат, липоат, NAD +, FAD и CoA; в резултат се образува сукцинил-КоА - тиоетер, съдържащ високоенергийна връзка.

α-кетоглуторат + NAD + + CoA-SH → сукцинил-CoA + CO 2 + NADH + H +

Равновесието на реакцията е толкова силно изместено към образуването на сукцинил-КоА, че може да се счита за физиологично еднопосочно. Както при окислението на пирувата, реакцията се инхибира от арсенат, което води до натрупване на субстрата (алфа-кетоглутарат).

Цикълът продължава с превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат, катализирано от сукцинат тиокиназа (сукцинил-КоА синтетаза):

Сукцинил-CoA + P H + GDP↔ Сукцинат + GTP + CoA-SH

Един от реакционните субстрати е GDP (или IDP), от който се образува GTP (ITP) в присъствието на неорганичен фосфат. Това е единствената стъпка в цикъла на лимонената киселина, която генерира високоенергийна фосфатна връзка на ниво субстрат; при окислителното декарбоксилиране на α-кетоглутарат потенциалното количество свободна енергия е достатъчно за образуване на NADH и високоенергийна фосфатна връзка. В реакция, катализирана от фосфокиназа, АТФ може да се образува както от GTP, така и от ITP. Например:

GTP+ADP «БВП+ATP.

В алтернативна реакция, протичаща в екстрахепаталните тъкани и катализирана от сукцинил-CoA-ацетоацетат-CoA-трансфераза, сукцинил-CoA се превръща в сукцинат, съчетано с превръщането на ацетоацетат в ацетоацетил-CoA. В черния дроб има диацилазна активност, която осигурява хидролизата на част от сукцинил-КоА с образуването на сукцинат и КоА.

Сукцинат + FAD « Фумарат + FADH 2

Първото дехидрогениране се катализира от сукцинат дехидрогеназа, свързана към вътрешната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана. Това е единствената дехидрогеназна реакция на CTK, по време на която се осъществява директен трансфер от субстрата към флавопротеина без участието на NAD +. Ензимът съдържа FAD и желязо-сярен протеин. В резултат на дехидрогенирането се образува фумарат. Експерименти с използване на изотопи показват, че ензимът е стереоспецифичен към транс водородните атоми на метиленовите групи на сукцината. Добавянето на малонат или оксалоацетат инхибира сукцинат дехидрогеназата, което води до натрупване на сукцинат.

Фумаразата (фумарат хидротаза) катализира добавянето на вода към фумарат, за да се образува малат:

Фумарат + H 2 O "L-малат

Фумаразата е специфична за L-изомера на малата; тя катализира добавянето на компоненти на водната молекула към фумаратната двойна връзка в транс конфигурация. Малат дехидрогеназата катализира превръщането на малат в оксалоацетат, реакцията протича с участието на NAD +:

L-малат + NAD + "0ксалоацетат + NADH 2

Въпреки че равновесието на тази реакция е силно изместено в посока на малат, то всъщност протича в посока на оксалоацетат, тъй като той, заедно с NADH, постоянно се изразходва в други реакции.

Ензимите от цикъла на лимонената киселина, с изключение на алфа-кетоглутарат и сукцинат дехидрогеназа, също се намират извън митохондриите. Въпреки това, някои от тези ензими (напр. малат дехидрогеназа) се различават от съответните митохондриални ензими.

Енергетика на цикъла на лимонената киселина.

В резултат на окисление, катализирано от TCA дехидрогенази, за всяка ацетил-CoA молекула, катаболизирана по време на един цикъл, се образуват три NADH молекули и една FADH 2 молекула. Тези редукционни еквиваленти се прехвърлят към дихателната верига, разположена в митохондриалната мембрана. Докато преминават през веригата, редуциращите еквиваленти на NADH генерират три високоенергийни фосфатни връзки чрез образуването на ATP от ADP чрез окислително фосфорилиране. Само две високоенергийни фосфатни връзки се генерират от FADH 2, тъй като FADH 2 прехвърля редуциращи еквиваленти към коензим Q и следователно заобикаля първия крак на веригата на окислително фосфорилиране в дихателната верига. Друг високоенергиен фосфат се генерира на едно от местата на цикъла на лимонената киселина, тоест на нивото на субстрата, когато сукцинил-КоА се превръща в сукцинат. Така през периода на всеки цикъл се образуват 12 нови високоенергийни фосфатни връзки.

Регулиране на цикъла на лимонената киселина.

Основните процеси, които доставят и съхраняват енергия в клетките, могат да бъдат обобщени, както следва:

глюкоза пируват ® ацетил-КоА мастни киселини

Регулирането на тази система трябва, наред с другото, да осигури постоянно снабдяване с АТФ, съизмеримо с текущите енергийни нужди, да гарантира, че излишните въглехидрати се превръщат в мастни киселини чрез пируват и ацетил-КоА и в същото време да контролира икономичното използване на мастни киселини чрез ацетил -CoA като ключов входен продукт в цикъла на лимонената киселина.

Цикълът на лимонената киселина доставя електрони към електронна транспортна система, в която потокът от електрони е свързан със синтеза на АТФ и в по-малка степен доставя редуциращи еквиваленти към междинни биосинтетични системи. По принцип цикълът не може да протича по-бързо, отколкото позволява използването на генерирания АТФ. Ако целият ADP на клетката се преобразува в ATP, не би могло да има по-нататъшен поток от електрони от NADH, който се натрупва до 0 2 . Поради липсата на NAD+, необходим участник в процесите на дехидрогениране на цикъла, последният би престанал да функционира. Има по-фини регулаторни устройства, които модулират действието на ензимите в самия цикъл на лимонената киселина.

Сукцинат дехидрогеназата се намира във вътрешната митохондриална мембрана. Всички други ензими се разтварят в матрицата, която изпълва вътрешността на митохондриите. Измерванията на относителните количества на тези ензими и концентрациите на техните субстрати в митохондриите показват, че всяка реакция протича с еднаква скорост. След като пируватът (или друг потенциален източник на ацетил-КоА) навлезе в митохондриалната матрица, целият цикъл се извършва в това отделение.

В някои места стимулирането или инхибирането се определя от относителните концентрации на NADH/NAD, ATP/ADP или AMP, ацетил-CoA/CoA или сукцинил-CoA/CoA. Когато тези съотношения са високи, клетката е достатъчно снабдена с енергия и потокът през цикъла се забавя; когато те са ниски, клетката се нуждае от енергия и потокът през цикъла се ускорява.

Като необратима реакция, свързваща въглехидратния метаболизъм с цикъла на лимонената киселина, реакцията на пируват дехидрогеназа трябва да бъде добре контролирана. Това се постига по два начина. Първо, ензимът, който се активира от няколко посредника на гликолизата, се инхибира конкурентно от неговите собствени продукти, NADH и ацетил-CoA. Ceteris paribus, увеличаването на съотношението NADH/NAD + от 1 до 3 причинява 90% намаляване на скоростта на реакцията, а увеличаването на съотношението ацетил-CoA/CoA води до количествено подобен ефект. Ефектът се проявява моментално. Ефектите от друго регулаторно устройство се проявяват по-бавно, но продължават по-дълго. Около пет молекули пируват дехидрогеназа киназа са свързани с ядрото на всяка молекула дихидролипоилтрансацетилаза, която, благодарение на АТФ, катализира фосфорилирането на серинов остатък в а-веригата на пируват дехидрогеназния компонент. Тъй като е фосфорилиран, ензимът не е в състояние да декарбоксилира пирувата.

Когато настъпи окисление на мастни киселини, пируват дехидрогеназата се инхибира значително. Очевидно това явление се обяснява с високите концентрации на АТФ, ацетил-КоА и NADH, съпътстващи процеса на окисление. Повечето тъкани съдържат излишък от пируват дехидрогеназа, така че след хранене в черния дроб, както и в мускулите и мастната тъкан при животни в покой, само 40, 15 и 10% от пируват дехидрогеназата, съответно, е в активна, нефосфорилирана форма . Когато нуждата от ATP се увеличи, концентрациите на NAD +, CoA и ADP се увеличават поради използването на NADH, ацетил-CoA и ATP и киназата се инактивира. Фосфатазата обаче продължава да функционира чрез повторно активиране на дехидрогеназата. Увеличаването на Ca 2+ може да активира митохондриалната фосфатаза.

Синтезът на цитрат е стъпка, която ограничава скоростта на цикъла на лимонената киселина. Регулирането на този етап се дължи на малко, но значително инхибиране на цитрат синтетазата от NADH и сукцинил-КоА. Основното влияние върху скоростта на цитратния синтез се оказва от доставката на субстрата.

Активността на изоцитрат дехидрогеназата се регулира в зависимост от концентрациите на Mg 2+, изоцитрат, NAD +, NADH и AMP. В допълнение към местата за свързване на субстрата за NAD+, изоцитрат и Mg2+, ензимът също има положителни и отрицателни ефекторни места. Изоцитратът е положителен ефектор; неговото свързване е кооперативно, т.е. свързването на едно място улеснява свързването на други. И двете места на свързване на AMP стимулират ензимната активност.

Така ензимната активност се определя от съотношенията на NAD+/NADH и AMP/ATP.

AMP е положителен ефектор на α-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс, който в това отношение прилича на изоцитрат дехидрогеназата. В обхвата на физиологичните концентрации, както сукцинил-КоА, така и NADH имат инхибиторен ефект и концентрацията на сукцинил-КоА изглежда е основният фактор, контролиращ скоростта на процеса. Сукцинат дехидрогеназата наподобява изоцитрат дехидрогеназата по това, че субстратът (сукцинат) функционира като положителен алостеричен ефектор. Оксалоацетатът е мощен инхибитор, но не е ясно дали този контрол работи при нормални условия.

В цикъла на лимонената киселина четири водоразтворими витамина B изпълняват специфични функции.Рибофлавинът е част от FAD, който е кофактор на алфа-кетоглутарат дехидрогеназния комплекс и сукцинат дехидрогеназата. Ниацинът е част от NAD, който е коензимът на три цикъла на дехидрогеназите: изоцитрат дехидрогеназа, алфа-кетоглуторат дехидрогеназа и малат дехидрогеназа. Тиамин (витамин B1) е част от тиамин дифосфат, който е коензим на алфа-кетоглутарат дехидрогеназата. Пантотеновата киселина е част от коензим А, който е кофактор, който свързва активните ацилни остатъци.

Макроергични съединения и макроергични връзки.

В клетките, освободена в резултат на катаболни процеси на разграждане на хранителни вещества, свободната енергия може да се използва за извършване на много химични реакции, които изискват енергия. Съхраняването на енергия става под формата на богати на енергия химични връзки на специален клас съединения, повечето от които са фосфорни анхидриди (нуклеозидни трифосфати).

Има високоенергийни и нискоенергийни фосфати. Условната граница за тези две групи съединения е стойността на свободната енергия на хидролиза на фосфатната връзка. Следователно високоенергийните фосфати имат богата на енергия високоенергийна (макроергична) връзка.

Енергията на връзката се определя като разликата между свободните енергии на съединенията, съдържащи тази връзка, и съединенията, получени в резултат на нейното разкъсване. За макроергични (богати на енергия) връзки се считат тези връзки, при хидролизата на които промените в свободната енергия на системата са повече от 21 kJ / mol.

Централната роля в енергийния обмен на всички видове клетки играе системата от аденинови нуклеотиди, която включва АТФ, АДФ и АМФ, както и неорганични фосфатни и магнезиеви йони. ATP е термодинамично нестабилна молекула и се хидролизира, за да образува ADP и AMP. Именно тази нестабилност позволява на АТФ да функционира като носител на химическата енергия, необходима за задоволяване на повечето от енергийните нужди на клетките. Съединения с богата на енергия връзка, в допълнение към ATP, включват също UTP, CTP, GTP, TTP, креатин фосфат, пирофосфат, някои тиоетери (например ацетил-CoA), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и редица други съединения.

По време на хидролизата на АТФ при стандартни условия промяната в свободната енергия е -30,4 kJ/mol. При физиологични условия реалната свободна енергия на хидролиза на крайната фосфатна връзка на АТФ ще бъде различна и ще се доближава до -50,0 kJ/mol.

Има няколко варианта за освобождаване на енергията на АТФ фосфатните връзки. Основният вариант е разцепването на крайния фосфат на АТФ (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Друга възможност е пирофосфатното разцепване на АТФ (АТФ + Н20 ® АМР + Н 4 Р 2 О 7). Този тип реакция се използва много по-рядко в биохимичните процеси.

Натрупването на енергия в специфични фосфатни връзки на АТФ е в основата на механизма на енергиен трансфер в живата клетка. Има причина да се смята, че има три основни вида трансфер на енергия от АТФ в клетката:

в енергията на химичните връзки, в топлинната енергия и енергията, изразходвана за извършване на работа (осмотична, електрическа, механична и др.).

витамин ПП .

Витамин РР (никотинова киселина, никотинамид, ниацин) се нарича антипелагичен витамин (от италиански Preventive pellagra - „предотвратяване на пелагра“), тъй като липсата му е причината за заболяването, наречено пелагра.

Никотиновата киселина е известна отдавна, но едва през 1937 г. тя е изолирана от K. Elveheim от екстракт от черен дроб и е показано, че въвеждането на никотинова киселина (или нейния амид - никотинамид) или чернодробни препарати предотвратява развитието или лекува пелагра.

Никотиновата киселина е пиридиново съединение, съдържащо карбоксилна група (никотинамидът се отличава с наличието на амидна група).

Витамин РР е слабо разтворим във вода (около 1%), но силно разтворим във водни разтвори на основи. Никотиновата киселина кристализира като бели игли.

Най-характерните признаци на пелагра (от италиански pelle agra - груба кожа) са кожни лезии (дерматит), стомашно-чревния тракт (диария) и нарушения на нервната дейност (деменция).

Дерматитът най-често е симетричен и засяга онези участъци от кожата, които са изложени на пряка слънчева светлина: гърба на ръцете, шията, лицето; кожата става червена, след това кафява и груба. Чревните лезии се изразяват в развитието на анарексия, гадене и болка в корема, диария. Диарията води до дехидратация. Лигавицата на дебелото черво първо се възпалява, след това се разязвява. Специфични за пелагра са стоматит, гингивит, лезии на езика с оток и пукнатини. Мозъчните лезии се изразяват в главоболие, световъртеж, раздразнителност, депресия и други симптоми, включително психози, психоневрози, халюцинации и др. Симптомите на пелагра са особено изразени при пациенти с недостатъчно протеиново хранене. Установено е, че това се дължи на липсата на триптофан, който е предшественик на никотинамида, частично синтезиран в тъканите на човека и животните, както и липсата на редица други витамини.

Витамин РР играе ролята на коензим в NAD-зависимите дехидрогенази (участници в тъканното дишане), метаболизма на въглехидратите и аминокиселините, NADP-зависимите ензими (пентозен шунт и липиден синтез), HMH-зависимите ензими (алкохол дехидрогеназа и ябълчен ензим). Не по-малко важна е ролята му като субстрат за поли-АДФ-рибозилиране. Този процес участва в омрежването на хромозомните разкъсвания и в работата на системата за репараза, а също така (при липса на NAD) е от ключово значение в механизма на некробиозата и апоптозата на клетките, особено силно аеробните.

Доказано е, че редица дехидрогенази използват само NAD или NADP, докато други могат да катализират редокс реакции в присъствието на някоя от тях. В процеса на биологично окисление NAD и NADP действат като междинни носители на електрони и протони между окисления субстрат и флавиновите ензими.

Основните източници на никотинова киселина и нейния амид са ориз, хляб, картофи, месо, черен дроб, бъбреци, моркови и други храни.

микрозомално окисление.

монооксигеназни реакции.

Живите организми съдържат група от многобройни и разнообразни ензими, наречени монооксигенази. В типичен случай един атом от кислородната молекула се намира в новата хидроксидна група на субстрата, другият се редуцира до вода по време на реакцията. Съответно реакцията трябва да протича с участието на ензима, субстрата, кислорода и някакъв редуциращ агент.

Допамин-b-монооксигеназата, присъстваща в мозъка и хромафиновата тъкан, катализира хидроксилирането на 3,4-диоксифенилетиламин до норепинефрин.

Фенол монооксигеназите се намират в бактерии, растения, насекоми, а също и в черния дроб и кожата на бозайниците. Полимеризацията на о-хинон, образуван в резултат на верига от реакции, катализирани от тези ензими, е в основата на образуването на меланин.

диоксигеназни реакции.

Ензимите, които катализират реакции, при които и двата молекулни кислородни атома са включени в реакционните продукти, се наричат ​​диоксигенази. Понастоящем известните ензими от тази група могат да съдържат хем или нехем желязо като активна група, а някои изискват α-кетоглутарат за своето действие.

Желязо-a-кетоглутарат диоксигеназите са желязо-зависими ензими, които катализират хидроксилирането на субстрат по време на процеса, при който a-кетоглутаратът претърпява окислително декарбоксилиране до сукцинат: M + O2 + a-кетоглутарат

M-OH + сукцинат + CO2

Цитохромите са ензими от редокс веригата.

По-нататъшното прехвърляне на електрони от KoQH2 към O2 се извършва от цитохромната система. Тази система се състои от редица протеини, съдържащи хем (хемпротеини), открити през 1886 г. от К. Макмън. Всички те имат простетична хем група, близка до хема на хемоглобина. Цитохромите се различават един от друг не само по протетичната група, но и по протеиновите компоненти. Всички цитохроми, особено в редуцирана форма, имат характерни спектри на абсорбция, стойностите на редокс потенциалите също не са еднакви.

В широко използвания механизъм на хидроксилиране чрез въвеждане на един кислороден атом, функционалният железен атом е разположен в хем групата на цитохрома, цитохром Р450. Тези цитохроми се намират в мембраните на чернодробния EPS, в митохондриите на надбъбречната кора, в границата на бъбречната четка и в плазмените мембрани на различни бактерии. Катализираната реакция е същата като при всички други монооксигенази.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Цитохромите P450 от черния дроб са сред индуцируемите ензими; това означава, че количеството на наличния ензим може да се увеличи 25 пъти чрез прилагане на едно от многото чужди съединения като фенобарбитал или метилхолантрен. Цитохромите неутрализират ксенобиотиците и също така ограничават времето, през което някои лекарства могат да останат активни. Лечението на някои форми на остра интоксикация може да бъде улеснено чрез прилагане на индуктор, който в този случай е като цяло безвреден.

Цитохромите P450 на надбъбречната кора се намират в митохондриалната мембрана, където два отделни ензима катализират, съответно, разцепването на страничните вериги на холестерола до прегненолон и реакциите на хидроксилиране на различни стероиди.

Цитохром Р450 катализира образуването на хидроксилни групи по време на синтеза на жлъчни киселини, стероидни хормони, по време на катаболизма на редица вещества и обмена на чужди съединения.

Първата електрон-носеща система, открита в микрозомите, е редукционната система на цитохром b5, дължаща се на NADH; цитохром b5 се редуцира от NADH-цитохром b5-редуктаза, която съдържа един FAD на молекула, което прави циклични преходи между напълно редуцирани и окислени форми. Цитохром b5 е силно свързан с ER чрез неговия обширен хидрофобен регион. Въпреки че външната повърхност на хемовата област на цитохрома е хидрофилна, тя лежи в дълбока хидрофобна празнина, с карбоксилни групи на пропионовата киселина, ориентирани навън. Редуцираният цитохром b5 бавно се самоокислява, за да образува супероксидния анион. Този механизъм може да е основният генератор на супероксид в чернодробните клетки.

Пероксидазен начин за използване на кислород.

Молекулярният кислород е парамагнитен, тъй като съдържа два несдвоени електрона с успоредни спинове. Тези електрони са в различни орбитали, защото два електрона не могат да заемат една и съща орбитала, освен ако спиновете им не са противоположни. Съответно, редуцирането на кислород чрез директно въвеждане на двойка електрони в неговите частично запълнени орбитали е невъзможно без "обръщане" на спина на един от двата електрона. Инхибирането на въртенето на редукция може да бъде преодоляно чрез последователни добавяния на единични електрони. Пълното редуциране на O2 до 2H2O изисква 4 електрона; при едноелектронната редукция супероксидът, водородният пероксид и хидроксидният радикал се появяват като междинни продукти. Тези продукти са силно реактивни и тяхното присъствие може да представлява заплаха за целостта на живите системи. Всъщност OH, най-мутагенният продукт на йонизиращото лъчение, е изключително мощен окислител, който може да атакува всички органични съединения. Редукцията на кислород с един електрон инициира верига от реакции, които водят до образуването на ОН:

и H2O2, който също възниква по време на спонтанното окисление на хемоглобина, фередоксини, хидрохинони, редуцирани от цитохром b5, тетрахидроптеридини и адреналин. Заплахата за клетките, произтичаща от реактивността на O2 и H2O2, се елиминира чрез действието на ензими, които ефективно неутрализират тези съединения.

Ензимна антиоксидантна защита.

Супероксид дисмутазакатализират реакцията

+ O2+ 2H® H2O2 + O2

Тези ензими се намират във всички респираторни клетки, както и в различни факултативни анаеробни бактерии. Супероксиддисмутазите са металоензими. Техният каталитичен цикъл включва редукция и окисление на метален йон, като Cu, Mn или Fe, в активното място.

Каталазна активност се наблюдава в почти всички животински клетки и органи. Черният дроб, червените кръвни клетки и бъбреците са богати източници каталаза. Тази активност също се открива във всички растителни материали и в повечето микроорганизми, с изключение на облигатните анаероби. Във всеки случай каталазата вероятно предотвратява натрупването на вредния H2O2, образуван по време на аеробното окисляване на редуцирани флавопротеини и от O2

. Една молекула каталаза може да разложи 44 000 молекули H2O2 за секунда. Всъщност ензимът не изисква почти никаква енергия за активиране и скоростта на реакцията се определя изцяло от дифузията. Каталазата реагира с H2O2, за да образува относително стабилен комплекс ензим-субстрат.

Въпреки че пероксидазите са относително редки в животинските тъкани, слаба пероксидазна активност е установена в черния дроб и бъбреците. Левкоцитите съдържат вердопероксидаза, която е отговорна за пероксидазната активност на гнойта. Фагоцитните клетки съдържат миелопероксидаза, която окислява халогенните йони, като I

НО О, О

Неензимна антиоксидантна защита.

Аскорбинова киселина (витамин С).

Витамин С лесно се окислява до дехидроаскорбинова киселина, която е нестабилна в алкална среда, в която лактонният пръстен се хидролизира до образуване на дикетогулонова киселина.

Аскорбиновата киселина е от съществено значение за различни биологични окислителни процеси. Витаминът активира окислението на n-хидроксифенилпирогроздена киселина от чернодробните хомогенати. В присъствието на кислород разтворите, съдържащи феро-йони и аскорбат, катализират хидроксилирането на редица съединения. Витаминът е антиоксидант, участва в метаболизма на фенилаланин, тирозин, пептидни хормони, в синтеза на мазнини и протеини, необходим е за образуването на колаген, спомага за поддържане целостта на съединителната и остеоидната тъкан, има антиканцерогенно действие, предотвратявайки образуване на канцерогенни нитрозамини, участва в разпределението и натрупването на желязо.

Витамин Е.

Витаминът е изолиран от масло от пшеничен зародиш през 1936 г. и е наречен токоферол. Седем токоферола, получени от изходното съединение токол, се намират в естествени източници; сред тях а-токоферолът има най-голямо разпространение и най-висока биологична активност. Токоферолите се обозначават с гръцки букви: алфа, бета, гама и делта.

Витаминът предпазва клетъчните структури от разрушаване от свободните радикали, участва в биосинтезата на хема, предотвратява тромбозата, участва в синтеза на хормони, поддържа имунитета, има антиканцерогенен ефект и осигурява нормалното функциониране на мускулите.

Фигура 6. Механизмът на действие на витамина.

Тъканите на животните с дефицит на витамин Е, особено сърдечните и скелетните мускули, консумират кислород по-бързо от тъканите на нормалните животни. а-токоферолът не се подлага лесно на обратимо окисление. Повишената консумация на кислород от мускулите при недостиг на витамини очевидно е свързана с пероксидно окисление на ненаситени мастни киселини. В други тъкани, като черния дроб, това води до нарушаване на митохондриалната структура и намалено дишане. Има доказателства, че пероксидното окисление на ненаситени мастни киселини в ендоплазмения ретикулум на мускулните клетки води до освобождаване на лизозомни хидролази, което води до мускулна дистрофия. Всички прояви на витаминен дефицит са вторични явления, дължащи се на липсата на инхибиране на пероксидното окисление на полиненаситените мастни киселини.

Безплодието е класическа проява на дефицит на витамин Е при лабораторни животни. При мъжете най-ранният наблюдаван признак за дефицит е неподвижността на спермата. Наблюдават се и редица други промени: дегенерация на епитела на бъбречните тубули, депигментация на предните зъби. Друга проява на дефицит на витамин Е е хемолизата на еритроцитите in vitro в присъствието на пероксиди или производни на алоксан. При плъхове с продължителен витаминен дефицит се развива мускулна дистрофия със симптоми на прогресивна парализа на задните крайници, съдържанието на креатин в мускулите намалява, възниква креатинурия и отделянето на креатинин леко намалява. Дефицитът на витамин А може да се развие и поради окислително разграждане на последния поради липса на витамин с антиоксидантни свойства в диетата. Симптомите на хипервитаминозата са гадене, виене на свят и тахикардия.

витамин R.

Витамин Р (рутин, цитрин) е изолиран през 1936 г. от A. Szent-Györgyi от лимонова кора. Терминът "витамин Р" обединява група от вещества с подобна биологична активност: катехини, халкони, флавини и др. Всички те имат Р-витаминна активност и тяхната структура се основава на дифенилпропановия въглероден "скелет" на хромон или флавон (на общоприетото име е „биофлавоноиди“).

Биофлавоноидите стабилизират основното вещество на съединителната тъкан чрез инхибиране на хиалуронидазата, което се потвърждава от данни за положителния ефект на препарати с витамин Р, както и аскорбинова киселина, върху профилактиката и лечението на скорбут, ревматизъм, изгаряния и др. Тези данни показват тясна функционална връзка между витамините С и Р в окислително - възстановителните процеси на организма.

При недостиг на биофлавоноиди или тяхното отсъствие в храната се увеличава пропускливостта на кръвоносните съдове, придружено от кръвоизливи и кървене, обща слабост, умора и болка в крайниците.

Основните източници на витамин са растителните храни (по-специално зеленчуците и плодовете), които съдържат много витамин С. Витаминната индустрия произвежда редица препарати с Р-витаминна активност: чаени катехини, рутин, хесперидин, нарингин и др.

Заключение.

Проблемът, подчертан в тази работа, днес е много важен раздел в биохимията, където въпреки постигнатия напредък остават много въпроси и пропуски.

Познаването на въпросите на биоорганичната химия е необходимо и важно в практиката на всеки лекар, тъй като активното развитие на фармакологията и появата на много нови лекарства позволява, познавайки биохимията на процесите, протичащи в тялото, да ги повлияе и да лекува много заболявания на клетъчно ниво, стимулиране на енергийните процеси на ниво митохондрии.

Всяка внезапна смърт е свързана с хипоксия, която е придружена от натрупване на голямо количество млечна киселина в тялото поради потискане на функцията на совалковите механизми и в резултат на това възниква ацидоза. По време на хипоксия свободните радикали се образуват за неопределено време и липидната пероксидация протича интензивно, последвана от необратимо увреждане на клетките. Изследването на нарушенията на механизмите на биологично окисление и методите за корекция е важно при лечението на патологии на сърдечно-съдовата и дихателната системи, свързани с възрастта патологии и възпаления. Това знание е от особено значение при реанимация, по време на анестезия, тъй като нивото на млечна киселина се повишава значително по време на операции под анестезия, например с кетамин или етран, под въздействието на наркотични вещества, процесите на окисляване и фосфорилиране са отделени. Ето защо е толкова важно да имате на разположение най-пълните знания и информативни данни, оценката на които може да осигури максимални възможности за прогнозиране на хода на заболяването.

Библиография:

1. Албертс Б., Брей Д., Люис Дж., Раф М., Робъртс К., Уотсън Дж. Молекулярна биология на клетката: В 3 тома, 2-ро изд., пер. и доп. Т.1. пер. от английски. - М.: Мир, 1994 - 517 с., ил.

2. Бишевски А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия за лекаря. Екатеринбург: Издателско-печатно предприятие "Уралски работник". - 1994 г. - 384 с.

3. Виноградов A.D. Митохондриална АТФ-синтезираща машина: петнадесет години по-късно.//Биохимия. - 1999 - Т.64. Брой 11 - с.1443-1456

4. Галкин М.А., Сироешкин А.В. Кинетичният механизъм на реакцията на синтез на АТФ, катализирана от митохондриалната F 0 -F 1 -ATPase.//Биохимия. - 1999 г. - Т.64.Брой 10 - стр.1393-1403

5. Гринщайн Б., Гринщайн А. Визуална биохимия. - М .: "Медицина" 2000 - стр.68-69, 84-85

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основи на общата патология. Част 2. Основи на патохимията. - Санкт Петербург. – 2000 г. – 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологични системи на човека. - М .: "Триада-Х" - 2000 г. - с.156-164

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика на дефицит на витамини и микроелементи при деца (справочно ръководство за лекари). – Москва, 2000 г

9. Lehninger A. Основи на биохимията. - М .: Мир - 1991 - 384 с.

10. Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Човешка биохимия: V2 vol.

11. Николаев А.Я. Биологична химия. Proc. за мед. специалист. Университети - М .: Висше училище. - 1989 - 495s.

12. Рябов Г.А. Хипоксия на критични състояния. – М.: Медицина. - 1992 г. - 288 с.

13. Самарцев V.N. Мастни киселини като разединители на окислително фосфорилиране // Биохимия. - 2000 г. - Т.65.Брой 9 - стр.1173-1189

14. Скулачев В.П. Кислородът в живата клетка: доброто и злото.// Сорос Образователен вестник. - 1996 - № 3 - с.4-10

15. Скулачев В.П. Еволюция на биологичните механизми за съхранение на енергия.// Сорос образователен журнал. - 1997 - № 5 - с.11-19

16. Скулачев В.П. Еволюционни стратегии и кислород.// Природа. - 1998 - № 12 - с.11-20

17. Тутелян В.А., Алексеева И.А. Антиоксидантни витамини: осигуряване на населението и значение за профилактиката на хроничните заболявания.// Клинична фармакология и терапия. – 1995 г. - №4 (1) – с.90-95

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основи на клиничната витаминология. - Л .: Медицина - 1989 - 343 с.