Презентация "Биологическое окисление"


Подписи к слайдам:
Кислотно-основное состояние в полости рта

ЛЕКЦИЯ № 4

  • Биологическое
  • окисление-1
  • ГБОУ ВПО УГМУ Минздрава РФ
  • Кафедра биохимии
  • Екатеринбург, 2014г
  • Дисциплина: Биохимия
  • Лектор: Гаврилов И.В.
  • Факультет: лечебно-профилактический,
  • Курс: 2

Обмен энергии

Катаболизм – реакции, в которых сложные вещества распадаются на более простые. Сопровождаются выделением энергии.

  • 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.
  • Энергия
  • Тепло
  • АТФ

АТФ

  • Ангидридные связи

Синтез АТФ

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

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

Митохондрии

  • Ключевую роль в энергетическом обмене клетки играют митохондрии
  • Наружная мембрана (содержит белок порин – поры 2-3нм, высокая проницаемость молекул до 5кДа. Также есть переносчики для крупных молекул)
  • Межмембранное пространство (10-20нм, состав похож на цитоплазму)
  • Внутренняя мембрана (имеет складки, содержит белки 70% (ферменты ЦОФ, транспортные), фосфолипид кардиолипин с 4 ЖК, непроницаема для протонов)
  • Матрикс (до 50% белков: ферменты ЦТК, β-окисления ЖК, АТ и др., мтДНК, мтРНК, рибосомы)

Митохондрии

  • Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК
  • NADH-дегидрогеназа (комплекс I)
  • Кофермент Q
  • цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III)
  • цитохром c оксидаза (комплекс IV)
  • АТФ-синтаза (комплекс V)
  • рРНК
  • тРНК
  • 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

История развития учения о биологическом окислении

  • Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский химик – в 1777г. впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О2. 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.

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).
  • 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.

  • 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.

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.

  • 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.
  • Кейлин Дейвид (1881-1963) открыл цитохромы. Установил, что они способны передавать H+ и e- с окисляемого S на O2.
  • Шенбайн показал, что БО – каталитический процесс, в котором используется активный кислород.
  • В дальнейшем значительный вклад в исследование БО внесли ряд и других учёных.
  • Вот некоторые из них:

Генрих Отто Виланд установил, что процесс окисления может реализоваться в анаэробных условиях с использованием элементов воды.

  • Генрих Отто Виланд установил, что процесс окисления может реализоваться в анаэробных условиях с использованием элементов воды.

Современные представления о биологическом окислении

  • Согласно современной теории БО:
  • окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях;
  • в аэробных организмах существует несколько путей использования О2;
  • реакции БО необходимы для:
    • получения энергии;
    • синтеза новых веществ;
    • разрушения чужеродных веществ;
  • БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты -оксидоредуктазы.

  • Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения / отщепления:
  • 1) 1 е-;
  • 2) 2е- и 2Н+;
  • 3) атомов кислорода
  • Субстрат-H2 + R Продукт + RH2
  • Субстрат-H2 + ½O2 Продукт + H2O
  • Цит1(Fe3+) + Цит2(Fe2+) Цит1(Fe2+) + Цит2(Fe3+)
  • Основные понятия БО

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

  • 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)
  • -0,42В
  • НАДН2
  • О2
  • +0,82В
  • е-
  • ∆G =-1,12= 0,82- (-0,32)

Биологическое окисление (БО) - совокупность окислительно-восстановительных реакций в живых клетках.

  • Биологическое окисление (БО) - совокупность окислительно-восстановительных реакций в живых клетках.
  • Особенности реакций БО:
  • протекают в аэробных и анаэробных условия;
  • катализируются оксидоредуктазами;
  • являются многостадийным процессом;
  • Существует несколько путей их использования: основной - синтез АТФ (90%), а также синтез новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.
  • Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (вещества, способные вступать в реакции окисления)
  • Субстрат-H2

Дыхательная цепь – цепь переноса электронов.

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

  • -0,42В
  • +0,82В
  • Н2
  • О2
  • е-
  • АТФ
  • АТФ
  • АТФ
  • Дыхательная цепь – цепь переноса е-
  • ДГ, KoQ, цит,
  • FeS-белки

Пути использования О2 в клетке

  • В настоящее время выделено 4 основные пути использования О2 в организме:
  • Оксидазный путь
  • Функция: 90% О2 используется для синтеза АТФ;
  • 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;

Диоксигеназный путь (Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата)

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

Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

  • Омыляемые липиды
  • Углеводы
  • Белки
  • Глицерин
  • Глюкоза
  • А
  • м
  • и
  • н
  • о
  • к
  • и
  • с
  • л
  • о
  • т
  • ы
  • П
  • и
  • р
  • у
  • в
  • а
  • т
  • А
  • ц
  • е
  • т
  • и
  • л
  • -
  • К
  • о
  • А
  • H
  • S
  • -
  • K
  • o
  • A
  • Жирные
  • кислоты

  • АДФ + Фн
  • О2
  • н2о
  • АТФ
  • 2
  • е
  • -
  • 2
  • н
  • +
  • Д
  • ы
  • х
  • а
  • т
  • е
  • л
  • ь
  • н
  • а
  • я
  • ц
  • е
  • п
  • ь
  • 2
  • е
  • -
  • 2
  • н
  • +
  • 2
  • е
  • -
  • 2
  • н
  • +
  • 2
  • е
  • -
  • 2
  • н
  • +
  • ЦТК
  • Ацетил-КоА
  • ЩУК
  • ПВК

  • II этап. Образование Ацетил-КоА

ЦТК является процессом окисления Ацетил–КоА - универсального продукта катаболизма углеводов, белков и омыляемых липидов;

  • 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.
  • III этап. Цикл Кребса
  • (цикл трикарбоновых кислот)

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

1. Цитратсинтазная реакция

  • Активаторы: ЩУК, НАД+, АМФ, АДФ;
  • Ингибиторы: АТФ, НАДН2, Сукцинил-КоА, цитрат.
  • Синтез жирных кислот, ТГ, ФЛ

2. Аконитазная реакция

  • 3. Изоцитратдегидрогиназная реакция
  • Самая медленная реакция ЦТК
  • Синтез Глу

4.α-Кетоглутаратдегидрогиназная реакция

  • 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.
  • Синтез гема

5. Сукцинил-КоА-синтетазная реакция

  • Это - единственная стадия ЦТК, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне;
  • Это реакция субстратного фосфорилирования.
  • Субстратное фосфорилирование

6. Сукцинатдегидрогиназная реакция

  • СДГ является флавопротеином, состоящим из 2 субъединиц: Fe2S2 и Fe4S4, одна из которых связана с ФАД;
  • Ингибитор: ЩУК и Сукцинил–КоА.

7. Фумаразная реакция

  • Фумараза специфична к L-изомеру малата;
  • Она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации;

8. Малатдегидрогиназная реакция

  • Ингибитор: НАДН2 Активатор: НАД+
  • Синтез Асп

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.

Регуляция ЦТК

  • Регуляторные (ключевые, лимитирующие) ферменты:
      • Цитратсинтаза
      • изоцитрат ДГ
      • α-КГ ДГ
      • СДГ
  • Ингибирует – НАДН2 и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и дыхательной цепи
  • Активируют – НАД+ и АДФ
  • Первая - пусковая реакция ЦТК зависит от концентрации ЩУК, Ацетил-КоА

  • Стимулирует ЦТК гормон инсулин, а ингибирует – глюкагон
  • O2 активирует ЦТК, переводя восстановленные формы НAДH2, ФAДH2 в окисленные
  • Аммиак связывает α–КГ и цикл блокируется

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

IV этап. Окислительное фосфорилирование

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

цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга протонов и электронов.

  • цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга протонов и электронов.
  • Белковые носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что переносят протоны через мембрану.
  • Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов – мембранный потенциал.
  • Под ее действием протоны с внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное пространство. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с электрическим током в батарее, и выполняет всю работу.
  • Положения хемиосмотической теории

Окислительное фосфорилирование

  • Q
  • ½О2 ½О2*
  • Н2О
  • НАДН2 НАД+
  • nН+
  • е-
  • QН2
  • nН2О
  • nОН-
  • nН+
  • АТФ синтаза
  • nН+
  • МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО
  • Фн + АДФ АТФ
  • C
  • Комплекс I
  • Комплекс III
  • Комплекс IV
  • е-
  • -0,32В
  • -0,30В
  • +0,04В
  • +0,25В
  • +0,55В
  • +0,82В
  • ФМН
  • 5 FeS
  • B562 B566
  • C1
  • FeS
  • B562 B566
  • C1
  • FeS
  • a
  • a3
  • Cu2+
  • a
  • a3
  • Cu2+
  • МАТРИКС
  • е-
  • е-
  • +0,23В
  • Протекает на внутренней мембране митохондрий
  • Окисления
  • Электро
  • Химический
  • потенциал
  • Фосфорилирования
  • Комплекс II

  • ФМН
  • 5FеS
  • ФАД
  • FeS
  • В562
  • В566
  • С1
  • FeS
  • В562
  • В566
  • С1
  • FeS
  • а
  • а3
  • Сu2+
  • а
  • а3
  • Сu2+
  • АТФ
  • синтетаза
  • Q
  • C
  • НАД+
  • НАДН2
  • Изоцитрат
  • α-КГ
  • малат
  • α-КГ
  • сукцинилКоА
  • ЩУК
  • сукцинат
  • фумарат
  • ½О2
  • ½О2*
  • Н2О
  • АТФ
  • Фн + АДФ
  • КомплексΙΙ
  • КомплексΙ
  • комплексΙΙΙ
  • комплексΙV
  • Межмембранное пространтво
  • матрикс
  • окисление
  • ē
  • Н+

  • ФМН
  • FeS
  • НАДН2 НАД+
  • S SH2
  • Глюкоза Углеводы
  • 2Н+, 2е-
  • е-
  • 2Н+
  • FeS
  • 2Н+, 2е-
  • е-
  • 2Н+
  • Н2О ОН-
  • О2 2О2-
  • Н+
  • Н+
  • Фн + АДФ АТФ
  • Н2О

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

  • Н+
  • Н+
  • Н+
  • ē
  • ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
  • АДФ+ФН
  • АТФ
  • Н+
  • Межмембранное пространство
  • матрикс

Модель F1 и F0 компонентов АТФ-синтазы – молекулярной машины

  • a, b, альфа, бета и дельта субъединицы образуют статор машины
  • с, гамма и ипсилон субъединицы образуют ротор

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

Разобщители дыхания и фосфорилирования

  • R-СООН
  • R-СОО-
  • Н+
  • Н+
  • ПРОТОНОФОРЫ
  • ИОНОФОРЫ
  • Н+
  • Н+

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. 

Дыхательный контроль

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

Спасибо за внимание!