ЛЕКЦИЯ № 4
Обмен энергии
АТФ
Синтез АТФ
Митохондрии
Митохондрии
В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории
Современные представления о БО
Пути использования О2 в клетке
Основные понятия БО
Цитохромы
Коэнзим Q
Железосерные белки
Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания
1. Цитратсинтазная реакция
2. Аконитазная реакция
4.α-Кетоглутаратдегидрогиназная реакция
5. Сукцинил-КоА-синтетазная реакция
6. Сукцинатдегидрогиназная реакция
7. Фумаразная реакция
8. Малатдегидрогиназная реакция
Энергетический баланс одного оборота ЦТК
Регуляция ЦТК
Биологическое значение ЦТК
IV этап. Окислительное фосфорилирование
Цепь окислительного фосфорилирования
Цепь окислительного фосфорилирования
Комплекс I – НАДН2 дегидрогеназный комплекс
Комплекс II – Сукцинатдегидрогеназа
Комплекс III – Комплекс b-c1
Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс
Модель F1 и F0 компонентов АТФ-синтазы – молекулярной машины
Принцип работы цепи окислительного фосфорилирования
Разобщители дыхания и фосфорилирования
2,4-Динитрофенол
Дыхательный контроль
Спасибо за внимание!
2.79M
Category: biologybiology

Биологическое окисление -1 (лекция № 4)

1. ЛЕКЦИЯ № 4

ФГБОУ ВО УГМУ Минздрава России
Кафедра биохимии
Дисциплина: Биохимия
ЛЕКЦИЯ № 4
Биологическое
окисление-1
Лектор: Гаврилов И.В.
Факультет: лечебно-профилактический,
Курс: 2
Екатеринбург, 2017г

2. Обмен энергии

3.

• Катаболизм – реакции, в которых сложные
вещества распадаются на более простые.
Сопровождаются выделением энергии.
• Анаболизм – реакции, в которых из простых
веществ синтезируются сложные вещества.
Сопровождаются потреблением энергии.
Тепло
Энергия
АТФ

4. АТФ

NH 2
O
HO
P
OH
O
O
O
P
O
OH
Ангидридные связи
P
N
OH
N
O
CH 2
H
N
O
H
H
H
OH
OH
N

5. Синтез АТФ

Синтез АТФ
в цитоплазме
гликолиз
Синтез АТФ
в митохондриях
β-окисление ЖК
Цикл Кребса
Цепь ОФ

6.

Механизмы синтеза АТФ
1. Субстратное фосфорилирование
Субстрат~Ф
Продукт
АДФ (А-Ф~Ф)
АТФ (А-Ф~Ф~Ф )
Энергия химической связи
2. Окислительное фосфорилирование
Субстрат-H2
Продукт
НАД+
НАДН2 + ½О2
НАД+ + Н2О
~
АДФ + Фн
АТФ
Энергия электрохимического потенциала

7. Митохондрии

Ключевую роль в энергетическом обмене клетки играют
митохондрии – в них протекают реакции окислительного
фосфорилирования
1. Наружная мембрана (содержит
белок порин – поры 2-3нм, высокая
проницаемость молекул до 5кДа.
Также есть переносчики для крупных
молекул)
2. Межмембранное пространство (1020нм, состав похож на цитоплазму)
3. Внутренняя мембрана (имеет
складки, содержит белки 70%
(ферменты ЦОФ, транспортные),
фосфолипид кардиолипин с 4 ЖК,
непроницаема для протонов)
4. Матрикс (до 50% белков: ферменты
ЦТК, β-окисления ЖК, АТ и др.,
мтДНК, мтРНК, рибосомы)

8. Митохондрии

Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до
десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК
У человека в митохондриях 16565 пар нуклеотидов и содержит 37 генов:
• 13 кодируют биосинтез белков,
• 22 являются матрицей для тРНК,
• 2 являются матрицей для рРНК
NADH-дегидрогеназа
(комплекс I)
Кофермент Q
цитохром c
редуктаза/Цитохром b
(комплекс III)
цитохром c оксидаза
(комплекс IV)
АТФ-синтаза (комплекс
V)
рРНК
тРНК

9.

История развития учения
о биологическом окислении
I.
Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский
химик – в 1777г. впервые правильно истолковал явление
горения как процесс соединения веществ с О2.
CО2
H2О
Тепло
О2
Сn(H2О)m, Me
MeО

10.

Т.к. горение и дыхание сопровождаются потреблением О2 и
выделение СО2, он предположил что, в их основе лежит
один процесс.
Но у дыхания были существенные отличия от горения, идёт:
при низкой температуре;
без пламени;
в присутствии воды.

11. В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории

для объяснения процессов, протекающих в ходе
биологического окисления.
Алексей Николаевич Бах (1857 – 1946).
II.
В 1897г сформулировал «ПЕРЕКИСНУЮ ТЕОРИЮ
МЕДЛЕННОГО ОКИСЛЕНИЯ», согласно которой
молекула О2 сначала активируется в результате
разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к
органическим веществам – оксидазам.
Активированный О2 при взаимодействии с
окисляемым веществом образует перекись.
O
O
+ оксидаза
O
O
оксидаза + S
оксидаза + SO2

12.

III. В.И. Палладин (1859–1922) – русский ученый ботаник и
биохимик – создал теорию «АКТИВАЦИИ ВОДОРОДА», предположив, что
окисление субстратов может происходить в 2 стадии:
Анаэробная фаза: особые вещества хромогены (R)
отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH2).
Аэробная фаза: Восстановленные хромогены RH2
передают Н на О2.
O
O
R
S
H
H
S
OH 1
/2O2
R
R
R
анаэробная OH
фаза
RH
H2O
O
аэробная
фаза
2
O
R

13.

В дальнейшем значительный вклад в исследование
БО внесли ряд и других учёных.
Вот некоторые из них:
Кейлин Дейвид (1881-1963) открыл цитохромы.
Установил, что они способны передавать H+ и e- с
IV.
окисляемого S на O2.
Шенбайн показал, что БО – каталитический процесс, в
котором используется активный кислород.
Отто Генрих Варбург открыл
фермент(E) – цитохромоксидазу,
работающую на заключительном этапе БО.
Процесс БО представляет не только
процессы дегидрирования, но и
активирования О2 железосодержащими E.

14.

Генрих Отто Виланд установил, что
процесс окисления может реализоваться
в анаэробных условиях с использованием
элементов воды.
O
СН
H2O
СН
С
Н
O
OH
OH
С
Н
CH
Н2
С

15. Современные представления о БО

Согласно современной теории БО:
1. БО является сложным, многостадийным
процессом, в котором ведущую роль
играют ферменты -оксидоредуктазы.
2. окисление происходит как в аэробных, так
и в анаэробных условиях;
3. в организмах существует несколько путей
использования О2.

16. Пути использования О2 в клетке

Выделено 4 основные пути использования О2 в
организме:
1. Оксидазный путь
Функция: 90% О2 используется для синтеза АТФ;
2. Монооксигеназный путь (Обеспечивает
включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата)
Функции:
синтез новых веществ (стероидные гормоны),
обезвреживание ксенобиотиков и токсических
продуктов обмена в митохондриях и ЭПР;

17.

3. Диоксигеназный путь (Обеспечивает
включение молекулы кислорода в молекулу
субстрата)
Функция:
деградация АК;
синтез новых веществ;
4. Свободно-радикальный путь
Функции:
внутриклеточное пищеварение;
разрушение бактерий, вирусов, онко- и
стареющих клеток;
образование БАВ.

18. Основные понятия БО

Биологическое окисление – совокупность
окислительно-восстановительных реакций
протекающих в организме
Субстрат БО – вещество, способное отдавать
электрон. (вещества, способные вступать в
реакции окисления) Субстрат-H2

19.

Окислительно-восстановительные реакции
(ОВР) – реакции, в которых меняется степень
окисления субстрата за счет присоединения /
отщепления:
1) 1 е-; (Цитохромы: Р450, В5, С и т.д.)
Цит1(Fe3+) + Цит2(Fe2+)
Цит1(Fe2+) + Цит2(Fe3+)
2) 2е- и 2Н+; (НАДН2, ФАДН2) (Дегидрогеназы)
Субстрат-H2 + R
Продукт + RH2
3) атомов кислорода (Оксидазы, оксигеназы)
Субстрат-H2 + ½O2
Продукт + H2O

20.

В ОВР вступают 2 вещества и 2 вещества образуются.
Одно вещество окисляется другое восстанавливается:
Окислитель
редокс-пара
Субстрат БО
Субстрат-H2 + R
Продукт + RH2
редокс-пара
Окисленная и восстановленная формы одного
соединения, образуют сопряженную окислительновосстановительную или редокс-пару
Редокс-пары отличаются сродством к е-,
мерой сродства служит окислительно-восстановительный
потенциал, или редокс-потенциал: Ео' (Вольт)

21.

Каждое вещество обладает определенным
запасом внутренней энергии (Е).
Часть внутренней энергии, которая может быть
использована для совершения полезной работы,
называют свободной (G).
∆G = Ео'(SH2/S) – Ео'(R/RH2)
∆G =-1,14= 0,82 - (-0,32)
-0,32В
еНАДН2
+0,82В
О2

22.

Дыхательная цепь – цепь переноса
электронов.
В переносе электронов от субстратов БО к О2
принимают участие:
1. НАД– и НАДФ– зависимые ДГ;
2. ФАД–
и ФМН– зависимые ДГ;
3. Цитохромы;
4. Коэнзим Q;
5. Белки, содержащие негеминовое
железо.

23. Цитохромы

е-
Фиксация гема в
цитохроме
Цитохром
Гем

24. Коэнзим Q

O
H3CO
CH3
H3CO
CH3
H
H2C C C CH2
O
OH
O*
e- H+
Q10
убихинон

n
H3CO
CH3
H3CO
CH3
H
H2C C C CH2
OH
e- H+
H3CO
CH3
H3CO
CH3
H
H2C C C CH2
n
OH
Q10
семихинон

Q10
гидрохинон
n

25. Железосерные белки

ФМН, ФАД
Железосерные белки

26.

Дыхательная цепь – цепь переноса еАТФ
-0,32В
е-
АТФ
АТФ
НАДН2
ДГ, KoQ, цит,
FeS-белки
+0,82В
О2

27. Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

Омыляемые
липиды
Жирные
кислоты
Глицерин
Углеводы
Белки
1 этап
ЖКТ
гексозы
Аминокислоты
2 этап
ПВК
ЩУК
Ацетил-КоА
Клетки тканей

28.

Ацетил-КоА
ПВК
3 этап
ЩУК
2е- 2Н+
ЦТК
2е- 2Н+
2е- 2Н+
2е- 2Н+
ЦЕПЬ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
4 этап
АДФ + Фн
О2
н2о
АТФ

29.

I этап. Гидролиз полимеров до мономеров
В ЖКТ белки до АК, Полисахариды до моносахаридов,
Омыляемые липиды до жирных кислот и глицерина
II этап. Образование Ацетил-КоА
Мономеры
+
HSKoA НАД
COOH
C
НАДН2 CO2
C
O
Пируватдегидрогеназа
CH 3
ПВК
CH 3
ПВК
O
CH3
АцетилКоА
CO2 АТФ
COOH
C
SKoA
O
АДФ + Фн COOH
C
Пируваткарбоксилаза
биотин
O
CH 2
COOH
ЩУК

30.

III этап. Цикл Кребса
(цикл трикарбоновых кислот)
• ЦТК является процессом окисления Ацетил–КоА универсального продукта катаболизма углеводов,
белков и омыляемых липидов;
• ЦТК протекает в митохондриях с участием 8
ферментов, которые локализованы в матриксе в
свободном состоянии, или на внутренней
поверхности внутренней мембраны;
• В ЦТК участвуют 5 витаминов В1, В2, РР,
пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде
коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД+,
КоА и липоата.

31.

Н2О
Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
Н2О
Цис-аконитат
Цитрат
3
2
Изоцитрат
Н2О
НАД+
4
1
HS-KoA
ИДГ
Ацетил-КоА
ЩУК
НАДН2
СО2
НАДН2
-кетоглутарат
12 АТФ
НАД+
МДГ
НАД+
Малат
5
НАДН2
НS-KoA
8
Н2О
CO2
Фумарат
Е-ФАДН2
Е-ФАД
Сукцинил - КоА
СДГ
HS-KoA
7
6
Сукцинат
H3PO4 + ГДФ
ГТФ

32. 1. Цитратсинтазная реакция

Синтез жирных кислот, ТГ, ФЛ
O
C
H2C
ЩУК
C O O H + H3C
COOH
O
C
H2C
SKoA
ацетил-SКоА цитратсинтаза
HO
C
H2C
COOH
COOH + H SKoA
COOH
цитрат
HS-КоА
Активаторы: ЩУК, НАД+, АМФ, АДФ;
Ингибиторы: цитрат, АТФ, НАДН2, Сукцинил-КоА,

33. 2. Аконитазная реакция

H2O
HO
H2O
H2C
COOH
H2C
COOH
H2C
COOH
C
COOH
C
COOH
HC
COOH
H2C
COOH
HC
COOH
CH
COOH
HO
изоцитрат
цис-аконитат аконитаза
цитрат аконитаза
цитрат: гидро-лиаза
цитрат: гидро-лиаза
3. Изоцитратдегидрогиназная реакция
Синтез Глу
HO
H2C
COOH
HC
COOH
CH
COOH
НАД+ НАДН2
СО2
H2C
COOH
CH 2
Mn2+ (Mg2+)
O
C
COOH
изоцитрат
КГ
изоцитрат ДГ
изоцитрат:НАД+ оксидоредуктаза (декарбоксилирующая)
Самая медленная реакция ЦТК

34. 4.α-Кетоглутаратдегидрогиназная реакция

4.α-Кетоглутаратдегидрогиназная
Синтез гема
реакция
H2C
COOH
НАД+ НАДН2 НSКоА
СО2
C
КГ
COOH
CH 2
CH 2
O
H2C
COOH В , РР,В , пантотеновая к-та, липоевая к-таO
1
2
-кетоглутарат ДГ
C
SKoA
Сукцинил-КоА
-КГ:НАД+ оксидоредуктаза (декарбоксилирующая)
Активаторы: ионы Са;
Ингибиторы: АТФ, сукцинил-КоА, НАДH2;
α-КГДГ комплекс состоит из 3 ферментов и содержит
5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А,
липоевая кислота, НАД+, ФАД.

35. 5. Сукцинил-КоА-синтетазная реакция

H2C
COOH
CH 2
O
C
Рн + ГДФ ГТФ
HSКоА
H2C
COOH
CH 2
SKoA
Сукцинил-КоА
Mg2+
COOH
сукцинат
Сукцинил-КоА-синтетаза
сукцинат:НКоА-лигаза (ГТФ-ГДФ+Рн)
Субстратное фосфорилирование
Это - единственная стадия ЦТК, в ходе которой генерируется
высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне;
Это реакция субстратного фосфорилирования.

36. 6. Сукцинатдегидрогиназная реакция

ФАД
H2C
COOH
H2C
COOH
сукцинат
ФАДН2
HC
HOOC
COOH
CH
Сукцинат ДГ (СДГ)
фумарат
сукцинат:ФАД-оксидоредуктаза
СДГ является флавопротеином, состоящим из 2
субъединиц: Fe2S2 и Fe4S4, одна из которых связана с
ФАД;
Ингибитор: ЩУК и Сукцинил–КоА.

37. 7. Фумаразная реакция

Н2О
HC
HOOC
CH
фумарат
COOH
HO
фумараза
малат:гидро-лиаза
H
C
COOH
H2C
COOH
L-малат
Фумараза специфична к L-изомеру малата;
Она катализирует присоединение компонентов молекулы
воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации;

38. 8. Малатдегидрогиназная реакция

Синтез Асп
HO
+
НАДН2
НАД
H
C
COOH
H2C
COOH
L-малат
C
COOH
H2C
COOH
O
малат ДГ
+
ЩУК
малат: НАД окидоредуктаза
Ингибитор: НАДН2
Активатор: НАД+

39. Энергетический баланс одного оборота ЦТК


В 4 ОВР ЦТК образуются 3 НАДН2 и
1 ФАДН2, которые направляются далее в
дыхательную цепь окислительного
фосфорилирования.
В процессе окислительного
фосфорилирования из 1 НАДН2 образуется
3 АТФ, из 1 ФАДН2 – 2 АТФ.
Из ГТФ, образующейся в ЦТК, синтезируется
1 АТФ:
ГТФ + АДФ
ГДФ + АТФ
Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН2, 1
ФАДН2 и 1 ГТФ получается 12 АТФ.

40. Регуляция ЦТК

1. Регуляторные ферменты:
1. Цитратсинтаза
2. изоцитрат ДГ
3. α-КГ ДГ
4. СДГ
2. Активируют ЦТК – НАД+ и АДФ
3. Ингибирует ЦТК – НАДН2 и АТФ,
(являются продуктами ЦТК и
дыхательной цепи)

41.

4. Индуцирует ферменты ЦТК инсулин,
репрессирует ферменты ЦТК глюкагон
5. Аммиак связывает α–КГ и разрывает ЦТК

42. Биологическое значение ЦТК

1. образование водородных эквивалентов,
которые в цепи ОФ обеспечивают синтез
АТФ;
2. выполняет ведущую роль в:
глюконеогенезе;
переаминировании и дезаминировании
АК;
синтезе жирный кислот и липогенезе;
синтезе гема.
3. интегрирует все виды обмена веществ

43. IV этап. Окислительное фосфорилирование

История окислительного
фосфорилирования
В 1966г. английский ученый
Питер Денис Митчелл
сформулировал
хемиосмотическую
гипотезу объясняющую
принцип окислительного
фосфорилирования.
В 1979г. - Нобелевская
премия

44.

Положения хемиосмотической теории
• Цепь окислительного фосфорилирования последовательность переноса Н+ и е-.
• Белковые носители таким образом организованы во
внутренней митохондриальной мембране, что
переносят Н+ через мембрану.
• Т.к. митохондриальная мембрана не проницаема для
Н+ , в процессе дыхания генерируется
электрохимическая разность потенциалов –
мембранный потенциал.
• Под действием мембранного потенциала Н+ из
межмембранного пространства стремятся назад в
матрикс. Этот поток Н+, который можно сравнить с
электрическим током в батарее, он выполняет всю
работу соединяя АДФ с Фн в АТФ.

45. Цепь окислительного фосфорилирования

46. Цепь окислительного фосфорилирования

Комплекс I
Комплекс III
nН+
nН+
е-
Q
nН2О
+0,25В
+0,23В
е-
НАДН2 НАД+
-0,32В
nН+
+0,04В
-0,30В
ФМН
5 FeS
Комплекс IV
QН2
B562
B566
C1
FeS
B562
B566
C1
FeS
е-
nОН-
+0,55В
е-
C
a
a3
Cu2+
a
a3
Cu2+
½О2
½О2*
+0,82В
Н2О
Комплекс II
АТФ
синта
за
Фн + АДФ
МАТРИКС
АТФ
Комплекс V
Компоненты встроены во внутренней мембране митохондрий

47. Комплекс I – НАДН2 дегидрогеназный комплекс

Cамый большой из дыхательных ферментных
комплексов – имеет молекулярную массу свыше
800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в
качестве коферментов содержит ФМН и 5 железосерных (Fe2S2 и Fe4S4) белков.

48. Комплекс II – Сукцинатдегидрогеназа

В качестве коферментов содержит
ФАД и железо-серный белок

49. Комплекс III – Комплекс b-c1

Имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных
цепей и существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3
гема, связанных с цитохромами b562, b566, с1, и железо-серный
белок

50. Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс

Имеет молекулярную массу
300КДа, состоит из 8
полипептидных цепей,
существует в виде димера.
Каждый мономер содержит 2
цитохрома (а и а3) и 2 атома
меди

51. Модель F1 и F0 компонентов АТФ-синтазы – молекулярной машины

Модель F1 и F0 компонентов АТФсинтазы – молекулярной машины
a, b, альфа, бета и
дельта субъединицы
образуют статор
машины
с, гамма и ипсилон
субъединицы образуют
ротор

52. Принцип работы цепи окислительного фосфорилирования

Окисление
Электро
Химический
потенциал
Комплекс I
Комплекс II
Комплекс III
Комплекс IV
Внутренняя
мембрана
митохондрии
О2
НАДН2
ФАДН
НАД+
ФАД+
2
Н2О
Н+ Н + Н+
ОН- ОН- О22-
Фосфорилирования
Комплекс V
АДФ + Н3РО4
АТФ

53.

2Н+
НАДН2
НАД+
2Н+
Н 2О
ОН- О2
Н+
2О2Фн + АДФ
S
SH2
Глюкоза
Углеводы
Н 2О
Н
+
АТФ

54.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
Межмембранное пространство
Н
Н
Н
матрикс
Химический потенциал 60мВ
+
+
+
+
Электрический потенциал 160мВ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ 220мВ

55.

окисление
Межмембранное пространтво
Комплекс Ι
Комплекс ΙΙ
ФМН
5FеS
Q
ē
НАД+
Н+
НАДН2
Изоцитрат
α-КГ
малат
В562
В562
В566
В566
С1
С1
FeS
FeS
ФАД
FeS
сукцинат
α-КГ
сукцинилКоА
ЩУК
Комплекс ΙV
Комплекс ΙΙΙ
а
а
а3
а3
Сu2+ Сu2+
C
О2
фумарат
О22
Н2 О
матрикс
АТФ
синтетаза
Фн + АДФ
АТФ

56.

Межмембранное пространство
Окисление
Фосфорилирование
Н+
ē Н+ + 2 Н
НАДН
НАД
Н2+ООН
матрикс
+Н2О
Н
ОН
Н2О
О22
АДФ + ФН
Н+
АТФ

57.

Сопряжение и разобщение
Окислительного фосфорилирования
разобщение
Н+
Н+
Н+
Протонофор
ē
АДФ+ФН
АТФ
сопряжение
Н+

58. Разобщители дыхания и фосфорилирования

Н+
Na+
Термогенин
- белок бурой
жировой ткани
ИОНОФОРЫ
ПРОТОНОФОРЫ
R-СООН
R-СОО-
Н+
Свободные
жирные кислоты
- в печени
Н+

59. 2,4-Динитрофенол

• 2,4-динитрофенол является
классическим разобщителем
окислительного фосфорилирования.
При действии на митохондрии
стимулирует их дыхание, но ингибирует
сопряженное с ним фосфорилирование,
т.е. синтез АТФ из АДФ и фосфата.

60. Дыхательный контроль

Интенсивности дыхания митохондрий зависит
от концентрации АДФ.
В результате дыхательного контроля скорость
синтеза АТФ соответствует потребностям
клетки в энергии.
Общее содержание АТФ в организме 30—50г
Молекула АТФ «живёт» меньше минуты.
В сутки у человека синтезируется 40—60 кг
АТФ и столько же распадается.

61. Спасибо за внимание!

English     Русский Rules