Презентация "Биологическое окисление"

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!