Биоэнергетика. Современное представление о биологическом окислении

1. Военно-медицинская академия

доцент Шелепина Е.П.
Лекция
По Биохимии
Биоэнергетика.
Современное представление о биологическом окислении
Тема:

2.

Детоксикация ксенобиотиков
Синтез
важных
метаболитов
Устранение шлаковых
(Вредных вещ-в из клетки –
- продуктов метаболизма)
Функции
биологического
окисления
Регуляция
обмена
веществ
Энергетическое обеспечение
Химический
синтез
Осмотическая
Поддержание
Работа
Электрические
toC тела
процессы
Механическая
работа

3. Способы передачи электронов

1. Прямой перенос электронов
Fe2+ + Cu2+
----- Fe 3+ + Cu+
2. Перенос в составе атомов водорода (H+ + е )
AH2 ---- A + 2e + 2H+
AH2 + B
A + BH2
3. Перенос в форме гидрид – иона.(:H- ).
4.Прямое взаимодействие органического
восстановителя с кислородом.
R-CH3 + ½ O2 ----- R-CH2-OH
Под окислением понимают отщепление электронов,
а под восстановлением – присоединение электронов.

4.

I. Оксидазный: в митохондриях
H
S…………………………… + 1/2 O2
H
Многоступенчатый
путь - коферменты
Sox +H2O +W
80 - 90% по потреблению О2
II. Пероксидазный : в макрофагах, фагоцитах, лейкоцитах,
гистиоцитах - флавопротеиды (ФМН, ФАД) Акцептором е является
перекись водорода
H
S + ФМН
H
ФМН-Н2 +О2
H2O2 + AH2
Н2О2 + CI
-
МПО
SOX + ФМН-Н2
ФМН + Н2О2
ПО
2H2O + A
HOCI +Н2О
*МПО - миелопероксидаза

5.

III Оксигеназный : в ЭПР
а) Монооксигеназный (микросомальное окисление)
АН2 + S + O2
A + SOH + H2O
донор
электронов (НАДФН)
Субстрат приобретает полярность
б) диоксигеназный
S + O2
Б
SO2
С - ОН
ОН
+
ОН
О
О2
пирокатехин
С - ОН
О

6.

IVСвободно-радикальный (бесферментный): за счет
.
аномальных форм кислорода: О2-; ОН+; НО2; Н2О2
(свободные радикалы*)
-
О2 + е
О2 + Н .
2О2- + 2Н.
Н2О2
О2- (супероксид)
НО2 (пероксидный радикал)
О2 + Н 2 О2
ОН+ + ОН-
ПОЛ мембран
R
R
CH НО2
CH2
CH
R1
Окисление
белков
мембран
CHOOH
R1
(перекись жирной кислоты)
Изменение
функций
клеток

7. Н+ е-

Цепь переноса электронов в
митохондриях
НАД Н
Н+ еЕ - ФМН (ФАД)
КоQ
в
с1
с
аа3
{
О2
2Н.
Н2О

8.

НАД+ (Никотинамидадениндинулеотид)
NH 2
N
CONH2
N
N
N
N
N+
CH2 O P
P
O
O CH2
+2e- +2H+
CONH2
+H+
N
CH2 O P P
R
НАД - H2

9.

ФМН (флавинмононуклеотид)
CH2-(CHOH)3-CH2-O P
H 3C
N
N
O
NH
H3C
N
O
+2e + 2H+
Рибофлавин Вит.B2
CH2-(CHOH)3-CH2-O
H3C
H3C
ФМН-Н2
N
NH O
NH
N
H
O
P

10.

Убихинон - КоQ
O
CH3
CH3
O
CH3
O
R
+2H+
O
R-C
10
(Q10)
OH
CH3
2e-
O
CH3
O
R
CH3
Убигидрохинон - КоQ - H2
OH

11.

Гис
Гис
Апофермент
Цитохром С
М.М.
13.000
S
S
H3CCH
CH3
CH CH3
CH
H3 C
CH
N
N
Fe+3
Fe+2
Fe
CH
Кофермент
N
CH3
H3C
е-
N
CH
СН2
СН2
СН2
СН2
СООН
СООН

12.

Железо - серные белки (негеминовые) FeS4
-Цис - Три - Вал - Цис S
S
Fe+3
S
S
- Цис - Лей - Про - Цис -

13.

МИТОХОНДРИЯ
ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА
МАТРИКС
Субстраты окисления
НАРУЖНАЯ МЕМБРАНА
МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО

14.

межмембранное пространство
H+
H+
е
_________________________________________________________________________________________________________________________________________
_
FMN
е
Q
HQ*
b1
е
e
QH2
FeS
е
b2
FeS
е
е
C1
е
a a3
C
HQ*
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
H+
Комплекс
1
H
+
Комплекс
3
FeS
FAD
Комплекс
2
Матрикс
Комплекс
4

15.

Разность Е0 стандартных потенциалов от НАДН2/НАД
к паре Н2О/1/2О2 равна [0,82 V - ( - 0,32V)] = 1,14V
Величина DU = 52,6 ккал или 220кДж
DUo =-n*F*DEo
H
СУБСТРАТ
Е01
V
n - число е
F - число Фарадея (ккал/v*m)
ккал
.
НАД (НАД.Н)
Фп
-0, 32
-0, 2
H
50
0,27V
АТФ
12,2 ккал
Q
0
40
+0, 2 30
+0, 4
20
+0, 6
10
+0,
b
C
0, 22V АТФ
9, 9 ккал
a
0,53V
23,8 ккал АТФ
1/2O2 (H2O)
8
Изменение стандартной свободной энергии (DU0) , обусловленное
перемещением пары электронов по дыхательной цепи к кислороду. На 3х участках выделяется достаточная энергия, необходимая для 3АДФ + W
3АТФ
АДФ + Фн АТФ + Н2О
W - 7,3 ккал
~ 10 ккал

16.

Оксидазный путь
+ и еДыхательная цепь переносчиков
Н
H
ИНГИБИТОРЫ
СУБСТРАТ S
H
НАД - Е
АМИНО
БАРБИТАЛ
РОТЕНОН
АТФ
ФМН (ФАД) - Е
КоQ
АТФ
АНТИМИЦИН А
ЦИТОХРОМЫ
РАЗОБЩИТЕЛИ
- ДНФ
- ДИКУМАРИН
- Т3
- Т4
b
C1
c
aa3 - (Cu2+)
CNCO
H2S
{
1/2O2
АТФ
H2O
Примечание: НАД-Е, кофермент - никотинамиддинуклеотид - Е; ФМН - Е - флавинмононуклеоти
КоQ - коэнзим Q или убихинон Q

17.

Коллекторная функция НАД и ФП (ФМН, ФАД)
Дыхательная цепь
a - кетоглутарат
НАДФН2
Изоцитрат
ПВК
(пируват)
НАД
b -гидроксибутират
b - гидроксиацилКоА
малат
Р/О=3
Н+ е-
глюкозо-6-фос-т
Е - ФМН (ФАД)
АцилКоА
(жирные кислоты)
Глицерофосфат
Цитохромы
Сукцинат
Р/О=2
КоQ
в
с1
с
аа3
{
АТФ
АТФ
АТФ
О2 2Н+. Н2О

18.

СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
(образование АТФ из высокоэнергетических
соединений)
СН3
СН2
ПВК-КИНАЗА
С
O~ Р
СООН
АДФ
ФЕП
(ФОСФОЕНОЛПИРУВАТ)
АТФ
С
O
СООН
(ПИРУВАТ)

19.

W + АДФ + Фнеорг
Энергия
АТФ + Н2О
1936 г. проф. Энгельгардт В.Н.
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ АДФ СОПРЯЖЕНО С АЭРОБНЫМ ДЫХАНИЕМ
1940 - 41 г. проф. Белицер В.А.
АТФ
АДФ + 7,6 ккал + Фн
Р/О = 3
Число молекул неорганического фосфата, перешедших в
органическую форму (АТФ), в расчете на каждый
поглощенный атом кислорода близко к 3

20.

(Акад. Скулачев)
(DmH)
Тканевое дыхание
(ox - red цепи)
Теплота
Механическая
работа
Транспорт Фн
DmH
Na+/K+ - градиенты
Трансгидрогеназа
(восстановление НАДФ+)
Электрическая
работа
Транспорт Са+
Осмотическая
работа
АТФ
Химическая
работа
Теплота
Механическая
Активный
работа Субстратное транспорт
фосфорилирование

21.

Схема оксидазного пути биологического окисления и
сопряженного с ним - окислительного фосфорилирования
(Р. Митчела -Скулачева)
Фрагмент митохондрии
Межмембранное Внутренняя
пространство мембрана
ФМН
2Н.
2Н.
+
+
FeS
+
+
KoQ
+
+
2Н.
b
C1
-НАДН2
2ОН
- 2Н2О
2Н.
2Н2О 2ОН
2Н.
е-
aa3
C
F0 Н.
DmH
Dj + DpH
Матрикс
F1
H
S + НАД+
H
1/2О2 + НОН
АДФ + Фн +Mg
АТФ +Н2О
S(ox)
2ОН-

22.

(белки a3b3g de)
АТФ - синтаза
Состоит из протонного канала (F0) и каталитической
субъединицы (F1) с тремя активными центрами.
АТФ
H2O
а
B
a
F1(9 субъединиц)
МАТРИКС МИТОХОНДРИЙ
АДФ
H3PO4
B
a
B
F0
F1 - фактор - киназа
Субстрат киназы
F0 (13 субъединиц)
Фн + АДФ
F-0 Транслокация H+
активирует субстрат и киназу
АТФ

23. Микросомальное окисление

SН+НАДФH2 + O2
SOH + H2O
+ НАДФ
2 цепи переноса электронов на комплекс (P450-SН-O2):
1. НАДФH2
. НАДH
ФАД
ФАД
Fe3+ (в5)
ФМН
Fe3+ (P450)
Fe3+ (P450 )
O2
O2
В результате микросомального окисления происходит модификация
субстрата с образованием функциональных групп, повышающих
растворимость гидрофобного соединения.

24.

HO
S
продукт
реакции
Fe3+
исходное
состояние
A
N
p
H
N
5
S
Fe3+
1
6
S
H
субстрат
электронпереносящий
флавопротеин S Fe3+
H
e-
A
p
активированный
атом кислорода
2
O2
e-
H
Fe4+
H
3
S
4
H 2O
Fe3+
H
H+
H+
S
Fe2+
H

25. Спасибо за внимание!