Биологическое окисление и его функции

НИКОТИНАМИДНЫЕ  ДЕГИДРОГЕНАЗЫ (НАДГ)

Небелковая часть этих ферментов представляет собой динуклеотид: НИКОТИНАМИД-АДЕНИНДИНУКЛЕОТИД (НАД⁺) или НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИДФОСФАТ (НАДФ⁺).

 

НАД⁺ и НАДФ⁺ входят в состав каталитического центра НАДГ. Они являются КОФЕРМЕНТАМИ, так как связаны с белковой частью слабыми типами связей - могут легко диссоциировать. Они присоединяются к белковой части только в момент протекания реакции. Реакция, которую катализируют НАДГ - это реакция окисления субстрата.

Известно около 150 НАДГ, которые различаются по строению белковой части (апофермента).

Апоферменты большей  части НАДГ способны присоединять или только НАД, или только НАДФ, и лишь немногие способны соединяться и с тем, и с другим коферментами.  НАДГ, участвующие в митохондриальном окислении, находятся в матриксе митохондрий, в отличие от большинства других участников дыхательной цепи, которые встроены во внутреннюю мембрану. НАДГ можно встретить и в цитоплазме клеток. Мембрана митохондрий непроницаема для НАД(Ф), поэтому митохондриальный и цитоплазматический НАД(Ф) никогда не смешиваются. В митохондриях содержится очень много НАД и почти нет НАДФ, а в цитоплазме - наоборот - очень много НАДФ и почти нет НАД.

Из матрикса митохондриальный НАД×Н₂ отдает два атома водорода на «комплекс I», встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий.

 

  КОМПЛЕКС I:

В составе комплекса  находится 26 полипептидных цепей общей массой 800 кДа. Комплекс содержит следующие небелковые компоненты: Флавинмононуклеотид (ФМН), 5 центров FeS (железо-серные центры): FeS_1a, FeS_1b FeS₂, FeS₃, FeS₄.

В транспорте водорода по дыхательной цепи в этом комплексе  принимает участие ФМН.

 

Одновременно  с протонами транспортируются и  электроны. Наибольшие перепады редокс-потенциала наблюдаются между железо-серными  белками, расположенными в следующем  порядке:

ФМНÞFeS_1aÞFeS_1bÞFeS₃ÞFeS₄ÞFeS₂

Комплекс I – интегральный белковый комплекс. Используя энергию, выделяющуюся при переносе электронов по дыхательной цепи, он транспортирует 4 протона из матрикса в межмембранное пространство – комплекс I работает как протонный генератор. Точный механизм этого транспорта до сих пор неизвестен.

Далее комплекс I восстанавливает промежуточный переносчик KoQ (убихинон).

 

Это жирорастворимое  низкомолекулярное вещество, содержащее длинную изопреновую цепь, не имеет белковой части. КоQ принимает водород от комплекса I. Образовавшийся КоQH₂ отдает водород на комплекс III.

 

  КОМПЛЕКС III:

В своем составе  содержит цитохромы – сложные  белки, содержащие небелковый компонент - простетическую группу, сходню по строению с небелковой частью гемоглобина – гемом.

1) Цитохромы b, имеющие в своем составе два типа простетических групп тетрапиррольной структуры - «гем». Известно два гема цитохромов: b_e, обладающий низким окислительно-восстановительным потенциалом и b_h  с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Строение простетической группы цитохромов  группы b, похожей на гем белка гемоглобина, представлено на рисунке. Его необходимо выучить.

2)FeS_III – железо-серный кластер.

3. Цитохром С₁. Имеет в своем составе особый гем типа «с».

Друг от друга  цитохромы могут отличаться:

1. Строением белковой части;
2. Значением окислительно-восстановительного потенциала;
3. Строением радикалов, расположенных по периферии гема;
4. Присоединением гема к белковой части – в некоторых случаях гем присоединен к ней ковалентной связью за счет радикалов цистеина, что характерно для цитохромов c₁ и c.

От двух атомов водорода, которые переносятся на комплекс III от KoQ, дальше по цепи транспортируются только электроны, два протона (H⁺)комплекс III выбрасывает в межмембранное пространство вместе с еще одной парой протонов, которые подхватываются комплексом из матрикса. Таким образом, комплекс  III в сумме выбрасывает в межмембранное пространство 4 протона. Поэтому комплекс III, как и комплекс I, является протонным генератором, и целью его работы также является создание DmH⁺.

       

  КОМПЛЕКС IV:

Комплекс IV называется цитохромоксидазой. Он способен захватывать из матрикса 4 протона. Два из них он отправляет в межмембранное пространство, а остальные передает на образование воды.

 

Благодаря многоступенчатой передаче энергия в дыхательной  цепи выделяется не мгновенно, а постепенно (маленькими порциями) при каждой реакции  переноса. Эти порции энергии не одинаковы по величине. Их величина определяется разницей между ОВП двух соседних переносчиков. Если эта разница небольшая, то энергии выделяется мало - она рассеивается в виде тепла. Но на нескольких стадиях ее достаточно, чтобы синтезировать макроэргические связи в молекуле АТФ. Такими стадиями являются:

1. НАД/ФАД - разность потенциалов 0.25V.
2. Цитохромы b/cc₁ - 0.18V
3. aa₃/O^-2 - 0.53V.

Значит, на каждую пару атомов водорода, отнятых от субстрата, возможен синтез 3-х молекул АТФ.

АДФ + Ф + ЭНЕРГИЯ -------> АТФ + Н₂О

Макроэргическая связь - это такая ковалентная связь, при гидролизе которой выделяется не менее 30 кДж/моль энергии. Эта связь обозначается знаком ~.

Синтез АТФ за счет энергии, которая выделяется в системе  МтО, называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. Основная роль АТФ - обеспечение энергией процесса синтеза АТФ.

Для оценки эффективности  работы системы МтО при окислении  вычисляют КОЭФФИЦИЕНТ P/O. Он показывает, сколько молекул неорганического фосфата присоединилось к АДФ в расчете на один атом кислорода.

Для главной (полная) цепи Р/О=3 (10H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 3,3 (округляют до 3-х)), коэффициент полезного действия системы - 65%, для укороченной P/O=2 (6H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 2, для максимально укороченной  P/O=1 (4H⁺/2H⁺(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H⁺ (затраты на транспорт фосфата)) = 1.

Система МтО потребляет 90% кислорода, поступающего в клетку. При этом в сутки образуется 62 килограмма АТФ. Но в клетках организма содержится всего 20-30 граммов АТФ. Поэтому молекула АТФ в сутки гидролизуется и снова синтезируется в среднем 2500 раз (средняя продолжительность жизни молекулы АТФ - полминуты).

 

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ АТФ:

1. Синтез различных веществ.

2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na⁺,К⁺-АТФазу.

3. Механическое движение (мышечная работа).

 

 

 

СИНТЕЗ АТФ.

Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс – Н⁺-зависимая АТФ-синтаза seu Н⁺-зависимая АТФ-аза (два разных названия связаны с полной обратимостью катализируемой реакции), обладающий значительной молекулярной массой – более, чем 500кДа. Состоит из двух субъединиц: F_O и F₁.

F₁ представляет из себя грибовидный вырост на матриксной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, F_O же пронизывает эту мембрану насквозь. В толще F_O расположен протонный канал, позволяющий протонам возвращаться обратно в матрикс по градиенту их концентраций.

F₁ способна связывать АДФ и фосфат на своей поверхности с образованием АТФ - без затраты энергии, но обязательно в комплексе с ферментом. Энергия необходима лишь для освобождения АТФ из этого комплекса. Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал F_O.

В дыхательной цепи сопряжение абсолютно: ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.

Но при синтезе АТФ сопряжение одностороннее: окисление может идти без фосфорилирования, а фосфорилирование без окисления никогда не идёт. Это означает, что система МтО может работать без синтеза АТФ, но АТФ не может быть синтезирована, если не работает система МтО.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ  РОЛЬ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ.

Главная его функция - обеспечение организма запасами энергии в форме АТФ.

Именно митохондрии  поставляют клетке большую часть необходимого ей АТФ.

    В сутки  синтезируется до 62 кг АТФ,  хотя  одновременно в организме никогда  не  бывает  больше  30-40  граммов  этого вещества. Т.е.   наблюдается  очень  быстрое  восстановление расходуемых молекул АТФ.

 

      

 ВАРИАНТЫ  ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. ПОЛНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ  ЦЕПЬ

    В этой цепи  окисляется небольшое количество субстратов, из которых главными являются четыре. Коэффициент Р/О=3.

СУБСТРАТЫ	НИКОТИНАМИДНЫЕ ФЕРМЕНТЫ, ИХ ОКИСЛЯЮЩИЕ
изолимонная кислота (изоцитрат)	изоцитратдегидрогеназа
яблочная кислота (малат)	малатдегидрогеназа
глутаминовая кислота (глутамат)	глутаматдегидрогеназа
бета-гидроксиацил-КоА	бета-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа

 

    Все ферменты  полной цепи являются НАД-зависимыми  дегидрогеназами.

 

 

 

    2. СОКРАЩЕННАЯ  (УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

    Известны два  субстрата. Главным из них является сукцинат (янтарная кислота).

Сукцинатдегидрогеназа – это комплекс II, который в укороченном варианте цепи является начальным звеном окисления. В составе комплекса – простетическая группа ФАД и FeS_II. От ФАД^.Н₂ два атома водорода переносятся на KoQ. Значит, первое звено, которое имеется в полной цепи - исключается. Перепад окислительно-восстановительного потенциала между ФАД и KoQ невелик. Поэтому переноса H⁺ в межмембранное пространство в этой точке не происходит. DmH⁺  также создается, но меньший, чем в полной цепи. Значит, меньше и эффективность фосфорилирования - коэффициент Р/О=2.

Аналогичным образом  окисляется и второй субстрат – ацил-КоА (активная форма любой жирной кислоты):

 

3. МАКСИМАЛЬНО  УКОРОЧЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО

СОКРАЩЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Она представлена только цитохромной  частью. Эксперименты показали, что здесь может быть окислен только один субстрат - аскорбиновая кислота, с участием фермента, восстановленные  эквиваленты включаются в цепь на уровне цитохрома С цитохромоксидазы (цитохром аа₃), но в реальных условиях такого окисления практически не происходит. Образуется вода и 1 молекула АТФ. Коэффициент Р/О=1.

Возможность такого окисления  доказана в эксперименте in vitro. А  в живой клетке аскорбиновая кислота обычно используется как донор водорода в системе окисления оксигеназного типа (реакции, катализируемые монооксигеназами: смотрите лекцию «Внемитохондриальное окисление»). Такие реакции с участием витамина «С» особенно важны для формирования белка коллагена, в котором за счет монооксигеназной реакции образуется гидроксипролин.

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК).

Многие процессы метаболизма  регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это  соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = ------------------------

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может  меняться от 0 до 1. Обычно в норме  величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ  ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА.

Никотинамидные дегидрогеназы  находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитозоле. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому НАДН₂, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных ЧЕЛНОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ. В митохондрию из цитозоля передается не сам НАДН₂, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается  в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную  мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

    В клетках  организма человека существуют 2 типа челночных механизмов.

    1. МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ  челнок (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени.