Биологическое окисление

Общее понятие об обмене веществ.

I. Цель изучения. Знать функции метаболизма в организме человека, иметь понятие об особенностях энергетического обмена в организме человека. Знать сущность окислительного фосфорилирования АДФ и биосинтеза АТФ, изучить токсичность кислорода и антиоксидантные системы.

Знать сущность окислительного фосфорилирования АДФ и биосинтеза АТФ, изучить токсичность кислорода и антиоксидантные системы.

II. Уметь определить каталазное число крови и его клинико-диагностическое значение.

III. Ответить на контрольные вопросы к теме и заполнить контурные карты по структуре НАД-а и флавиновым ферментам (ФМН и ФАД).

IV. Содержание темы.

1. Живые организмы находятся в неразрывной связи с окружающей средой, которая осуществляется в процессе обмена веществ и энергии (метаболизм). Функции метаболизма: снабжение организма энергией при расщеплении пищевых веществ – белков, жиров и углеводов в катаболических реакциях; использование энергии для синтеза молекул со специфическими функциями; образование и сборку строительных белков для формирования клеточных компонентов и обновления тканей (анаболические реакции).

2. Основная энергия в процессе метаболических реакций выделяется в реакциях окисления белков (1г – 17 кДж), углеводов (1г – 17 кДж) и жиров (1 г - 39 кДж) в норме употребляемым человеком в соответствии 1:4:1. Среднесуточное употребление этих веществ достаточно в количестве 80 г: 400г: 100г.

3. Замечательной особенностью живого организма является постепенное освобождение энергии химических связей пищевых веществ и накопление её в макроэргических связях (~), высокоэнергетических связях целого ряда метаболитов, например 1,3-дифосфоглицерата, фосфоенолпирувата, креатинфосфата. Центральное место в ряду макроэргических соединений занимает молекула аденозинтрифосфата (АТФ), которая содержит две макроэргические связи и при гидролизе её на АДФ+Н₃РО₄ уровень свободной энергии падает с выделением 30,51 кДж, а при гидролизе АТФ ® АМФ + Н₄Р₂О₇ выделяется 37,4 кДж. Эта энергия используется нашим организмом для произведения механических работ, осмоса, передачи нервных импульсов, активации химических реакций. Частично энергия распада АТФ рассеивается в виде тепла.

4. Основной путь биосинтеза АТФ – окислительное фосфорилирование идет в митохондриях, где в матриксе происходит окисление промежуточных метаболитов - пирувата, глутамата, гидроксипроизводных жирных кислот в результате действия НАД – зависимых дегидрогеназ, где катаболитическим центром является витамин РР, способный присоединить гидрид-ион и восстанавливать кофермент до НАДН + Н⁺.

5. Во внутренней мембране митохондрий содержатся сложные белковые комплексы, содержащие ряд веществ, расположенных векторно с определенными редокс-потенциалами по мере их возрастания, переносящие электроны от субстрата вплоть до кислорода с общим изменением редокс-потенциала из I комплекса от - 0,32 в до + 0,82 в к кислороду. Эти комплексы переносят протоны (Н⁺) в межмембранное пространство, создавая в нем электрохимический потенциал ионов водорода DmН⁺.

6. I комплекс – НАДН-дегидрогеназа содержит в качестве кофермента флавинмононуклеотид (ФМН), содержащий рибофлавин (витамин В₂), способный присоединить 2Н ковалентной связью от НАДН + Н⁺ и при помощи специальных железосерных белков (F₂S₂, Fe₄S₄) переносить Н⁺ в межмембранное пространство, а электроны (2ē - на низкомолекулярное липофильное вещество убихинон (Q), способное восстанавливаться до Q × H₂, черпая Н⁺ из матрикса или из II комплекса.

7. Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа расположена на границе с матриксом, дегидрирует субстраты с помощью кофермента флавинадениндинуклеотида (ФАД), который отщепляет 2Н от янтарной кислоты (сукцината), радикалов жирных кислот, глицерина и переносят 2Н⁺ и 2ē тоже на убихинон с образованием Q ×Н₂.

8. Q ×Н₂, способное к латеральной диффузии, перемещается к комплексу III. В составе комплекса III - Q ×Н₂ –дегидрогеназы передает Н⁺ (протоны) в межмембранное пространство митохондрий, а 2 ē принимают цитохромы (в₁, в₂, с), которые являются трансэлектроназами, благодаря гемовому железу, способному менять степень окисления с Fe³⁺ + ē ® Fe²⁺.

9. IV комплекс-цитохромоксидаза содержит кроме цитохромов а₁ а₃, отличающихся своей белковой структурой и радикалами гемов, еще и атомы меди, способные иметь разную степень окисления и тоже способные переносить электроны уже на О + 2ē ® О^{- -} в матрикс: Сu²⁺ + ē ® Cu⁺. Благодаря меди и помощи еще одной петли Q_, IV комплекс обладает способностью также переносить протоны в межмембранное пространство и с другой стороны способствовать присоединению 2Н⁺ + О^{- -} ® Н₂О -конечного продукта окисления.

10. Между I и III комплексом благодаря разности потенциалов (-0,32в) I и III (~0,4в), а также между III и IV (+0,25в) и IV и О₂ (+0,82в) возникает разность » 0,2 -0,3 в, что позволяет перемещаться электроном вдоль мембраны вплоть до кислорода в матриксе. С другой стороны благодаря переносу протонов в межмембранное пространство происходит его закисление, т.е. рН по сравнению с матриксом уменьшается на DрН = 1,4.

11. Большая разница в редокс-потенциалах приводит к падению уровня свободной энергии перемещающихся вдоль мембраны электронов и при переходе от I к III комплексу выделяется 51 кДж, от III к IV – 36 кДж, от IV к 0₂ – 44 кДж, что достаточно для формирования 3 АТФ и даже для рассеивания некоторого количества тепла. В этом состоит суть сопряжения окисления с биосинтезом АТФ (фосфорилированием АДФ).

12. Движущая сила биосинтеза АТФ обеспечивается созданием протонного потенциала в результате накопления протонов в межмембранном пространства, которые могут вернуться в матрикс только через канал F₀ грибовидной АТФ-синтазы, где проходя через F₀, 2Н⁺ отщепляют О^{- -} от Н₃РО₄, переводя ее в супероксидное состояние , а она атакуя АДФ в «шляпке гриба» F₁-частицы синтезирует молекулу АТФ.

13. Принято считать, что если на субстрат действуют NАД-зависимые дегидрогеназы, протоны стимулируют синтез 3 АТФ, если ФАД-зависимые, то при прохождении электронов через 2 энергосоставляющих участка синтезируются 2 АТФ, а в случае действия оксидаз на уровне IV-го комплекса, возможен синтез только 1 АТФ.

14. Некоторые вещества могут переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ- синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и хотя скорость окисления НАДН и ФАДН₂ высока, синтез АТФ не идет и энергия выделяется в виде теплоты. Эти вещества – разобщители дыхания и фосфорилирования: динитрофенол, свободные жирные кислоты бурого жира, гормон тироксин.

15. Дыхательными ядами являются ингибиторы цепи переноса электронов (ЦПЭ), блокирующие определенные этапы этого процесса. Ингибиторы НАДН-дегидрогеназы – ротенон из яда рыб, амитол из группы барбитуратов, ингибитор QН₂ –дегидрогеназы – антимицин А - токсичный антибиотик; ингибиторы цитохромоксидазы – цианид, СО, Н₂S. Все они блокируют перенос электронов к кислороду.

16. Необходимый кислород для функционирования ЦПЭ может быть и токсичным, если произойдет утечка 1ē при неполном окислении кофермента Q + Н⁺ + 1ē ® QН^¯. Тогда О₂ может присоединить ē и превратится в супероксидный ион О₂^-. Постепенное восстановление О₂ идет через ряд токсичных соединений , среди них наиболее токсичен ×ОН, который образуется из Н₂О₂ при встрече с Fe²⁺ (например, гем) Fe²⁺ + H₂O₂ ® Fe³⁺ + OH^¯ + OH·.

17. Свободнорадикальное окисление нарушает структуру, во-первых, сопряженной системы двойных связей жирных кислот клеточных мембран, азотистые основания нуклеиновых кислот, некоторые аминокислоты, что ведет к активации протеолитических ферментов, разрушающих поврежденные белки. Это причина многих патологий: болезнь Паркинсона, дистрофия мышц, атеросклероз, развитие опухолей, образование тромбов.

18. В нашем организме существует антиоксидантная система, защищающая клетки от радикального окисления.

1) Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидный ион О₂^¯ в пероксид водорода: О₂^¯ + 2Н⁺ ® Н₂О₂. Это предотвращает утечку электронов дыхательной цепи в митохондриях.

2) Каталаза, в больших количествах, содержащаяся в эритроцитах, переносящих кислород, разрушает пероксид водорода 2Н₂О₂ ® 2Н₂О + О₂.

3) Глутатионпероксидаза - важнейший фермент, разрушающий как пероксид водорода, так и гидроперекиси липидов с помощью глутатиона, содержащего тиоловую группу-SH (полную формулу см. в лекции «Структура белков»): 2G –SH + H₂O₂ ® 2 H₂O + G –S – S – G. Глутатион восстанавливается глутатионредуктазой с коферментом НАДРН + Н⁺: G - S – S – G + NAДPH + H⁺ ® 2GSH + NAДР⁺.

4) Антиоксидантами могут быть многие витамины: Е, С, липоевая кислота, b-каротин, флавоноиды (vit. Р).

19. Витамин Е содержит - ОН, которая может отдать свой водород на ликвидацию пероксида липида (lОО°) сам же токоферол превращается в неактивную, стабильную форму токоферолхинона.

20. В фагоцитирующих лейкоцитах (гранулоцитах, макрофагах, эозинофилах) образуются активные формы кислорода, инициируя «респираторный взрыв», которые уничтожают чужеродные бактерии. При хроническом дефекте ферментов, образующих активные формы кислорода (в том числе и НО·), больные страдают повышенной восприимчивостью к бактериальной инфекции (грануломатоз).

Поиск по сайту: