Лекции по "Химии"

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 8.2).

 

Рисунок 8.2. Ферментные комплексы  дыхательной цепи (обозначены участки  сопряжения окисления и фосфорилирования):

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит  промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные  белки).

II. Сукцинат-KoQ-редуктаза  (содержит промежуточные акцепторы  водорода: ФАД и железосерные  белки).

III. KoQН2-цитохром с-редуктаза  (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1, железосерные белки).

IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3, ионы меди Cu2+).

В качестве промежуточных  переносчиков электронов выступают  убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

Убихинон (KoQ) – жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q – перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III).

Цитохром с – сложный  белок, хромопротеин, простетическая группа которого – гем – содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в  окисленной форме и Fe2+ в восстановленной  форме). Цитохром с является водорастворимым  соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с – перенос электронов в дыхательной Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны – молекулярный кислород.

 

 

 

На рисунке 8.3 представлено строение реакционноспособного участка  некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и  их взаимопревращение.

Рисунок 8.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов.

Механизм синтеза АТФ  описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные  во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя – отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 8.4).

 

Рисунок 8.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и  АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий.

 

Протоны, выведенные в  межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова  переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+-зависимой АТФ-синтетазой (Н+-АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 8.4): водорастворимой каталитической части (F1) и погружённого в мембрану протонного канала (F0). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ.

Раздел 8.2

Коэффициент фосфорилирования.

Степень сопряжённости  окисления и фосфорилирования в  митохондриях характеризует коэффициент фосфорилирования (Р/О). Он равен отношению количества молекул неорганического фосфата (Н3РО4), перешедшего в АТФ, к количеству атомов потреблённого кислорода (О2).

Например, если донором  водорода для дыхательной цепи является молекула НАДН, то электроны от донора (НАДН) к акцептору (кислород) проходят 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (I, III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 3 молекулы АТФ (3 АДФ + 3 Н3РО4 → 3 АТФ). Затрачивается 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 3/1 = 3.

Если донором водорода будет молекула ФАДН2, то электроны  в дыхательной цепи проходят 2 участка  сопряжения окисления и фосфорилирования (III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 2 молекулы АТФ (2 АДФ + 2 Н3РО4 → 2 АТФ). Затрачивается, как и в предыдущем случае, 1 атом кислорода (2 Н + О → Н2О). Значение коэффициента Р/О = 2/1 = 2.

Более сложный пример расчёта коэффициента фосфорилирования – при окислении пирувата до конечных продуктов - показан на рисунке 8.5. В этом метаболическом пути происходит дегидрирование 4 субстратов (пирувата, изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) с образованием НАДН и одного субстрата (сукцината) с образованием ФАДН2. Восстановленные коферменты окисляются в дыхательной цепи, и в сопряжённых реакциях фосфорилирования образуется (4×3 АТФ + 1×2 АТФ)=14 молекул АТФ. Ещё 1 молекула АТФ (ГТФ) образуется в реакции субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-КоА. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы пирувата образуется 15 молекул АТФ (из них 14 - путём окислительного фосфорилирования).

Чтобы рассчитать количество потреблённого кислорода, нужно  знать число реакций дегидрирования на данном участке метаболического пути. Для окисления каждой восстановленной формы кофермента необходим 1 атом кислорода (см. выше). Следовательно, в нашем примере потребляется 5 атомов кислорода. Значение коэффициента Р/О будет равно 14/5 = 2,8.

 

Рисунок 8.5. Расчёт энергетического баланса реакций окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса.

Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме  для обеспечения разнообразных  биохимических и физиологических  процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических  веществ из более простых (реакции  анаболизма);

2) сокращение мышц (механическая  работа);

3) образование трансмембранных  биопотенциалов;

4) активный транспорт  веществ через биологические мембраны.

Раздел 8.3

Разобщение дыхания  и фосфорилирования.

Перенос электронов в  дыхательной цепи не во всех случаях  протекает сопряжённо с фосфорилированием  АДФ. Состояние, при котором окисление  субстратов в дыхательной цепи происходит, но АТФ при этом не образуется, называется свободным (нефосфорилирующим) окислением. Энергия, выделяемая при окислении, рассеивается в виде теплоты.

В физиологических условиях свободное окисление может служить  одним из механизмов терморегуляции. В организме человека и некоторых животных имеется особая ткань – бурый жир, содержащий митохондрии, приспособленные для выработки теплоты. Много бурого жира у новорождённых, в последующие периоды жизни его количество уменьшается. В митохондриях бурого жира содержание дыхательных ферментов значительно выше, чем ферментов, осуществляющих фосфорилирование АДФ, поэтому в них преобладают процессы свободного окисления.

Разобщение процессов  окисления и фосфорилирования в  митохондриях может иметь место  при некоторых патологических состояниях. Основными симптомами таких состояний могут быть быстрая утомляемость, повышенная температура тела, снижение массы тела, несмотря на повышенный аппетит, учащение дыхания и сердцебиения.

Разобщение процессов  окисления и фосфорилирования может  быть вызвано действием ряда веществ, как природных, так и синтетических. Механизм действия этих веществ заключается в том, что они являются переносчиками протонов через мембрану. Вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, можно разделить на протонофоры и ионофоры.

Протонофоры представляют собой слабые гидрофобные органические кислоты, которые в форме аниона (R-COO-) связывают протоны в межмембранном  пространстве, диффундируют через мембрану и диссоциируют в матриксе с образованием протонов. К этой группе относятся, например, свободные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол (см. рисунок 8.6).

 

Рисунок 8.6. Механизм действия 2,4-динитрофенола.

Ионофоры (валиномицин, нигерицин, грамицидин) способны встраиваться в  мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы - Na+ или K+ (рисунок 8.7). В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ.

 

Рисунок 8.7. Валиномицин  облегчает проникновение в клетку ионов Н+.

Микросомальное окисление  является одним из этапов биотрансформации – обезвреживания неполярных (нерастворимых  в воде) соединений как эндогенного  происхождения, так и чужеродных для организма (ксенобиотиков). Эндогенные субстраты - холестерол, стероидные гормоны, ненасыщенные жирные кислоты, витамин D3. Экзогенные субстраты - лекарственные вещества. В результате окисления субстратов повышается их растворимость в воде, скорость выведения из организма. Биотрансформация лекарственных веществ, как правило, снижает их токсичность.

Ферментная система  микросомального окисления встроена в мембраны эндоплазматического  ретикулума клетки (ЭПР, рисунок 8.8).

 

Рисунок 8.8. Структура  эндоплазматического ретикулума (источник: Альбертс Б. и соавт., Молекулярная биология клетки, 1994).

Она представляет собой  короткую цепь переноса водорода и  включает несколько последовательно  расположенных в мембране белков-ферментов (рисунок 8.9).

 

Рисунок 8.9. Схема монооксигеназной цепи окисления ЭПР.

Источником электронов и протонов в этой цепи является восстановленный кофермент НАДФН, который образуется в реакциях пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Промежуточным акцептором Н+ и е— служит флавопротеин (ФлПр), содержащий кофермент ФАД. Конечное звено в цепи микросомального окисления - цитохром Р-450. Это - сложный белок, хромопротеин, в качестве простетической группы содержит гем. Цитохром Р-450 является монооксигеназой, то есть ферментом, включающим один из атомов молекулярного кислорода в окисляемое вещество. Поэтому цепь реакций микросомального окисления называют также монооксигеназной цепью.

Цитохром Р-450 выполняет  две функции. Он связывает окисляемый субстрат и активирует молекулярный кислород, облегчая их взаимодействие друг с другом. Реакция, катализируемая цитохромом Р-450, называется реакцией гидроксилирования, так как образующийся продукт содержит ОН-группу (рисунок 8.10).

 

Рисунок 8.10. Механизм реакции  гидроксилирования субстрата при  участии цитохрома Р450.

В отличие от митохондриальной дыхательной цепи, при переносе электронов в монооксигеназной цепи не происходит аккумулирования энергии в виде АТФ. Поэтому микросомальное окисление является свободным окислением.

Основные факторы, влияющие на активность монооксигеназной системы  печени, которые следует учитывать  при выборе дозировки лекарственных веществ:

а) возраст – в детском  возрасте и у пожилых людей  активность ферментов микросомального  окисления ниже, чем у людей  среднего возраста;

б) пол – мужские  половые гормоны повышают скорость реакций гидроксилирования субстратов в печени, женские половые гормоны, наоборот, понижают;

в) характер питания –  при недостаточном поступлении  белков с пищей в печени снижается  синтез ферментов, участвующих в  микросомальном окислении;

г) влияние лекарственных  веществ и ядов – некоторые лекарственные препараты (например, фенобарбитал и другие барбитураты, некоторые антибиотики) являются индукторами микросомального окисления и ускоряют процессы гидроксилирования субстратов; другие вещества (угарный газ СО, амизил, дезипрамил) снижают скорость микросомального окисления.

Раздел 9.1

Классификация и функции  углеводов.

Углеводы - полигидроксикарбонильные соединения и их производные, Их характерным  признаком является наличие альдегидной (-СН=О) или кетонной (>C=O) групп и  не менее 2 гидроксильных (-ОН) групп.

По структуре углеводы разделяют на моносахариды, олигосахариды  и полисахариды.

Моносахариды – наиболее простые углеводы, не подвергающиеся гидролизу. В зависимости от наличия  альдегидной или кетонной группы различают альдозы (например, глюкоза, галактоза, рибоза, глицеральдегид) и кетозы (например, фруктоза, рибулоза, диоксиацетон).

Олигосахариды - углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков, соединенных, при помощи гликозидных  связей. В зависимости от количества моносахаридных остатков различают дисахариды (содержат 2 остатка, например, лактоза, сахароза, мальтоза), трисахариды (содержат 3 остатка) и.т.д.

Полисахариды - углеводы, содержащие более 10 моносахаридных остатков, соединенных при помощи гликозидных  связей. Если полисахарид состоит из одинаковых моносахаридных остатков, то это гомополисахарид (крахмал, гликоген, целлюлоза). Если полисахарид состоит из разных моносахаридных остатков, то это гетерополисахарид (гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин).

Формулы важнейших углеводов представлены на рисунке 9.1.

 

 

 

 

Рисунок 9.1. Формулы важнейших  углеводов.

Функции углеводов. Углеводы выполняют в организме следующие  функции: