Зависимость скорости реакции от рН 2 страница

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Фн, сопряженный с тканевым дыханием.

Пункты сопряжения находятся на участках:

1. НАД/ФАД

2. ц в/ц с

3. ц а/а₃ О₂

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

При окисления НАД – зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД – зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 3 АТФ, при окислении цитохромзависимых субстратов, количество АТФ, зависит от того, на какой цитохром сбрасываются электроны: при сбросе электронов на цитохром b выделяется 2АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, а на цитохром с – 1АТФ.

Коэффициент фосфорилирования – это соотношение Р/О как показатель сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Было установлено, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата к кислороду) поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно три т.е. коэффициент Р/О примерно равен 3. Т.е. в дыхательной цепи имеется как минимум три пункта сопряжения, где неорганический фосфат участвует в образовании АТФ.

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Причины нарушения биологического окисления.

1. Недостаток субстратов окисления (углеводов, липидов, т.е. пищи).

2. Нарушение работы ферментов в дыхательной цепи:

1. Дефект апофермента (нарушен синтез белковой части фермента).

2. Дефект кофермента (нарушение синтеза коферментов из-зи недостатка витаминов В_2,В₅, К).

3. Недостаток кислорода.

4. Действие ингибиторов.

Аминобарбитал ингибирует перенос протонов и электронов на участке НАД/ФАД, окисление НАДзависимых субстратов прекращается.

Антимицин ингибирует перенос электронов на участке цитохром b, цитохром с.

Цианады ингибируют перенос электронов на участке цитохромоксидазы/кислород.

При большинстве физиологических состояний перенос электронов сопряжен с окслительным фосфорилированием.

Ряд соединений может вызвать разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Разобщителями этих процессов являются следующие соединения: 2,4 – динитрофенол, гормон щитовидной железы – тироксин, дикумарин и его производные, жирные кислоты.

Разобщение окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания может быть биологически полезным. Разобщение представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще несовершенной системе терморегуляции.

У больных с гиперфункцией щитовидной железы отмечается повышение температуры тела, что обусловлено разобщением процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, вызванного тироксином.

При недостатке кислорода в тканях процесс тканевого дыхания затруднен и в тканях протекает субстратное окисление.

Субстратное окисление – это процесс окисления, при котором конечным акцептором электронов является субстрат, а не кислород.

Субстратное окисление – это аварийный источник получения энергии при недостатке кислорода.

Недостаток кислорода (гипоксия) возникает в организме при физической работе, при подъеме в горы, опускании под воду, при заболеваниях органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и кроветворной системы.

Субстратное окисление энергетически менее выгодно, чем тканевое дыхание, т.к. редокс-потенциалы субстратов отличаются незначительно.

В организме наряду с окислительным фосфорилированием процессом, дающим энергию является субстратное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование – это процесс образования макроэргических соединений за счет макроэргических связей субстрата.

Важнейшим макроэргическим соединением является АТФ.

Энергия макроэргических связей аккумулируется в ряде соединений: креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, ГТФ и др.

Биологическое окисление

Тканевое дыхание Свободное окисление Субстратное окисление

Связано с Энергия

окислительным выделяется

фосфорилированием в виде тепла

Энергия выделяется

в виде АТФ

Фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

связано с мембранами митохондрий не связано с мембранами

митохондрий

Процесс	Ингибиторы тканевого дыхания	Разобщители тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования	Ингибиторы синтеза АТФ
	Аминобарбитал, ротенон, антимизин, цианиды	2,4-динитрофенол, жирные кислоты, дикумарин и его производные, тироксин	Антибиотики олигомицин, рутамицин
Ионофоры:	Валиномицин, грамицидин

Одно время пытались использовать некоторые разобщающие агенты для борьбы с ожирением за счет понижения эффективности синтеза АТФ. Но эти вещества оказались крайне токсичны, и потому от такого их применения отказались.

Существует еще группа веществ как ионофоры, т.е. переносчики ионов. Это жирорастворимые вещества, способные связывать определенные ионы и переносить их через мембрану. Ионофоры отличаются от разобщителей тем, что ионофоры переносят через мембрану не ионы водорода, а какие-нибудь другие катионы. Например, токсичный антибиотик валиномицин образует жирорастворимый комплекс с ионами К⁺, легко проходящий через внутреннюю мембрану митохондрий, тогда как в отсутствие валиномицина ионы К⁺ проникают сквозь нее с трудом. Ионофор грамицидин облегчает проникновение ионов К⁺ и Na⁺.

Ионофоры и разобщители подавляют окислительное фосфорилирование, увеличивая проницаемость мембраны для ионов Н⁺, К⁺ или Na⁺.

Окислительное фосфорилирование

Ферменты ЦПЭ фиксированы в митохондриальной мембране и их действие характеризуется не только величиной, но и пространственной направленностью, т.е. действуют векторно.

Проявлением векторности является перенос ионов Н⁺ с внутренней стороны мембраны (со стороны матрикса) на наружную. С НАДН электроны переходят на ФМН, а протоны освобождаются с внутренней стороны мембраны. Протоны, необходимые для восстановления ФМН, поступают из матрикса. На следующем этапе электроны с ФМН Н₂ переходят на убихинон, а протоны – в межмембранное пространство; убихинон получает протоны из матрикса и так далее. ЦПЭ работает как протонный насос, перекачивая ионы Н⁺ из матрикса на наружную сторону мембраны. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком + на наружной повехности.

Электрохимический потенциал заставляет протоны двигаться в обратном направлении – с наружной поверхности внутрь. Движение протонов идет по протонным каналам, где располагается АТФ-аза, катализирующая реакщию:

АДФ + Н₃РО₄ = АТФ + Н₂О

АТФ при участии транслоказы поступает из матрикса на наружную сторону мембраны, а затем в цитозоль.

Гипотеза Митчелла

Согласно этой гипотезе, цепь переноса электронов – насос, перекачивающий ионы Н⁺. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов используется для перемещения ионов Н⁺ из митохондриального матрикса наружу, что приводит к возникновению электрохимического Н⁺- градиента сболее высокой концентрацией ионов Н⁺ в наружной водной фазе. Этот же процесс ведет к появлению трансмембранного электрического потенциала – наружная сторона мембраны оказывается электроположительной. Ионы Н⁺ из окружающей среды вновь устремляются внутрь, т.е. в митохондриальный матрикс, на этот раз по электрохимическому градиенту. Этот переход ионов Н⁺ из зоны с более высокой в зону с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счет которой синтезируется АТФ.

Электрохимический Н⁺-градиент с более высокой концентрацией Н⁺ на наружной мембране.

Трансмембранный электрический потенциал – наружная мембрана заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно.

Ионы Н⁺ из окружающей среды по электрическому градиенту идут внутрь митохондрии и этот процесс сопровождается выделением свободной энергии, которая идет на синтез АТФ.

Обмен углеводов.

Обмен углеводов в организме человека складывается из следующих процессов:

1. Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов поступающих с пищей полисахаридов с пищей полисахаридов и дисахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.

2. Синтез и распад гликогена.

3. Анаэробное окисление глюкозы. В тканях существует два основных пути распада глюкозы: анаэробный путь гликолиза, который идет без потребления кислорода, и аэробный путь прямого окисления глюкозы или пентозофосфатный путь.

4. Аэробный метаболизм пирувата, включающий окислительное декарбоксилирование пирувата и превращение ацетил-КоА в ЦТК.

5. Глюкогенез, т.е. образование углеводов из неуглеводных продуктов, таких как пируват, лактат, глицерин, аминокислоты.

Обмен углеводов.

Обмен углеводов
Распад (гликогенолиз) и синтез (гликогенез) гликогена	Гликолиз	Пентозо- фосфатный путь	глюконеогенез
Окислительное декарбоксилирование пирувата
ЦКТ

Значение углеводов в организме:

1. Углеводы – это основной энергетический материал.

2. Углеводы выполняют пластическую функцию. К ним относятся пентозы нуклеотидов и гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества.

3. Углеводы могут превращаться в липиды и некоторые аминокислоты.

Источником углеводов организма служат углеводы пищи – крахмал, сахароза и лактоза. Кроме того, глюкоза, может образовываться в организме из аминокислот, глицерина.

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры. В переваривании принимают участие гидролазы.

Специфические гидролазы: мальтаза, сахараза, лактаза вырабатываются клетками кишечника и содержатся в кишечном соке.

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через клетки кишечника поступают в кровь. При всасывании из кишечника в кровь моносахариды проникают через клеточные мембраны путем облегченной диффузии и с помощью активного транспорта. Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации, и поэтому может функционировать тогда, когда концентрация глюкозы или галактозы в кишечнике невелика.

Важнейшие сахара через воротную вену проникают в печень, где идет превращение фру и гал в глю.

Гликолиз.

Гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis - распад) – один из центральных путей катаболизма глюкозы.

В процессе гликолиза происходит расщепление шестиуглеродной молекулы пирувата. Первые пять этапов составляют подготовительную стадию гликолиза. Продуктом первой стадии гликолиза является глицеральдегид-3-фосфат. Подготовительная стадия гликолиза служит для того, чтобы превратить углеродные цепочки всех метаболизируемых гексоз в один общий продукт – глицеральдегид-3-фосфат.

Вторая стадия гликолиза, состоящая тоже из 5 ферментативных реакций, сопровождается образованием энергии.

Стадии гликолиза.

I. 1. Фосфорилирование глюкозы: реакция протекает необратимо, катализируется гексокиназой и требует затраты АТФ:

Необратимые реакции – это реакции, протекающие в прямом направлении под действием одного фермента, а в обратном под действием другого.

Связывание гексогеназы с гексозой происходит по типу индуцированного соответствия: молекула фермента претерпевает конформационные изменения. Активность гексокиназы ингибируется глю-6-фосфатом.

В печени присутсвует другая форма фермента – глюкокиназа. Глюкокиназа специфична в отношении D-глюкозы. Глюкокиназа печени действует при возрастании концентрации глюкозы, например после приема пищи, богатой углеводами.

Гликолиз включает химические превращения 3 разных типов:

1. Распад углеродного скелета глюкозы с образованием пирувата (путь атомов углерода).

2. Фосфорилирование АДФ высокоэнергетическими фосфорилированными содинениями с образованием АТФ (путь фосфатных групп).

3. Перенос водородных атомов или электронов.

Ферменты, катализикующие гликолиз, локализованы в цитозоле.

Ферменты, катализирующие те этапы окисления углеводов, которые требуют присутствия О₂, локализируются в митохондриальных мембранах.

В этих условиях глюкокиназа действует на избыточную глюкозу крови и переводит ее в глюкозо-6-фосфат для отложения в запас в виде гликогена.

В мышечной ткани глюкокиназа отсутствует.

2.Превращение глю-6-ф во фру-6-ф

3. фосфорилирование фру-6-ф во фру-1,6-дф

4. Расщепление фру-1,6-дф на триозы:

В дальнейших превращениях принимает участие глицеральдегид-3-ф, который образуется в результате изомеризации дигидроксиацетонфосфата:

Дигидроксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат

В количественном отношении больше образуется дигидроксиацетонфосфата.

II. На второй стадии гликолиза запасается энергия.

Из одной молекулы глю образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые участвуют в дальнейших превращениях.

1. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-фосфоглицероилфосфата: дифосфоглицериновая кислота (гликолитическая оксидоредуктация)

СН₂ОРО₃Н₂ СН₂ОРО₃Н₂

| глицеральдегид- 2 |

СНОН фосфатдегидрогеназа CHOH

| |

С=О C=O

| 2НАД⁺+Фн 2НАДН+Н⁺ |

Н OPO₃H₂

3-ФГА 1,3-фосфоглицератфосфат

Коферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназы является НАД⁺. Механизм действия этого фермента очень сложен.

2. Образование 3-фосфоглицерата:

3. Образование 2-фосфоглицерата:

4. Образование фосфоенолпирувата – субстратное фосфорилирование:

Высокоэнергетическое фосфорилированное соединение фосфоенолпируват.

5. Образование пирувата:

Дальше процесс идет в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в клетке.

При анаэробных условиях, например в напряженно работающих скелетных мышцах. Пируват превращается в лактат:

В этих условиях образовавшийся при гликолизе НАДН регенерируется за счет пирувата, d восстанавливается до лактата.

Электроны, пришедшие сначала от глицеральдегид-3-фосфат к НАД⁺, переносятся в форме НАДН на пируват. Восстановление НАД катализируется ЛДГ.

С накоплением лактата в скелетных мышцах связано возникновение чувства усталости. ЛДГ представлена 5 различными изоферментами. ЛДГ сердечной мышцы характеризуется низкой К_m для пирувата, а ЛДГ мышечной ткани имеет более высокую величину К_m для пирувата.

Суммарная реакция:

Глю + 2АДФ + 2Фн 2Лак + 2 АТФ

При анаэробном гликолизе образуется 4 молекулы АТФ, но выделяется только 2 молекулы, т.к. 2 молекулы АТФ затрачиваются в процессе фосфорилирования.

Значение анаэробного гликолиза:

Окисление глю в условиях недостатка кислорода в тканях позволяет получить энергию клеткой при гипоксии, которая может быть вызвана физической нагрузкой, а также нарушениями со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем. При ИБС наблюдается анаэробный гликолиз, т.к. нарушается при дефиците О₂ работа дыхвтельной цепи, а следовательно окисление глю и жирных кислот, которые является главнейшими источниками энергии.

II. При достаточном содержании О₂ в клетке глю окисляется до конечных продуктов – СО₂, Н₂О и этот процесс называется аэробным окислением глю.

Конечным продуктом аэробного гликолиза является пируват, а энергетический баланс складывается из 3 молекул АТФ образовавшихся в результате субстратного фосфорилирования и остается еще 2 молекулы восстановленного НАДН, от концентрации которого зависит активность процесса. Для продолжения процесса необходим сброс Н₂ на ферменты дыхательной цепи, но сама молекула НАДН через мембрану митохондрий проникнуть не может, для этого используются переносчики и перенос осуществляется с помощью 2-х механизмов:

1. Глицерофосфатный челночный механизм;

2. Малатно-аспартатный челночный механизм.

Глицерофосфатный челночный механизм.

Цитоплазма		Митохондрии

Малатный челночный механизм.

Цитоплазма		Митохондрии

В процессе гликолиза образуется восстановленная форма НАДН, которая не может непосредственно передавать водород на дыхательную цепь, т.к. митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН. Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называемых челночными. Суть механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает какое-то соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондральный НАД, и вновь переходит в цитозоль.

Баланс аэробного гликолиза:

1. Анаэробный гликолиз – субстратное фосфорилирование – 2АТФ

Глю 2пир

2. 2Пир 2 СН₃СОSKoА – окислительное декарбоксилирование 2 НАДН- 6АТФ

3. Регенерация 2 НАДН в челночном механизме - 6 АТФ

4. ЦТК 2 СН₃СОSKoА СО₂ 24 АТФ

Н₂О

38 АТФ

СХЕМА ГЛИКОЛИЗА.

Включение в гликолиз других моносахаридов.

В гликолиз вовлекаются, кроме глюкозы и другие моносахара. Такие как D-фруктоза, манноза и галактоза.

Фруктоза и манноза фосфорилируются с помощью неспецифической гексокиназы с образованием фруктозо-6-фосфата и является метаболитом гликолиза. Маннозо-6-фосфат изомеризуется фосфоманнозоизомеразой во фруктозо-6-фосфат.

Имеется и другой путь включения фруктозы в гликолиз. Фруктоза под действием фруктокиназы печени превращается во фруктозо-1-фосфат, а под действием альдолазы расщепляется на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид.

Галактоза сначала также фосфорилируется в печени с помощью галактокиназы: D-галактоза + АТФ галактозо-1-Ф +АДФ Затем галактозо-1-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат. Для этой реакции изомеризации необходимы уридиндифосфат-глюкоза (УДФ-глюкоза) и фермент галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза:

Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкозо УДФ-галактоза + глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат подключается к гликолизу, а УДФ-галактоза превращается в УДФ-глюкозу с помощью УДФ-глюкозо-эпимеразы.

Пентозофосфатный (апотамический) путь окисления глюкозы.

Большая часть глюкозы расщепляется в тканях по гликолитическому пути с образованием пирувата. В свою очередь большая часть пирувата окисляется через цикл лимонной кислоты. Главный смысл расщепления глюкозы в процессе гликолиза заключается в обеспечении клетки энергией в форме АТФ. Наряду с этим существуют, однако, и другие пути катаболизма глюкозы, имеющие специальное назначение. На этих путях вырабатываются особые продукты, в d нуждается клетка.

Пентозофосфатный или фосфоглюконатный путь является источником в организме специальных продуктов:

Значение:

1. НАДФН, d используется как источник восстановительных эквивалентов в процессах биосинтеза жирных кислот, стероидов.

2. Рибозо-5-фосфата (пентозы), d используется для синтеза нуклеиновых кислот.

3. Образование АТФ.

По другому вторичному пути катаболизма глюкозы в животных тканях образуются два специализированных продукта: D-глюконат, важная роль которого связана с обезвреживанием и выведением из организма чужеродных органических веществ, и L-аскорбиновая кислота (витамин С).

Реакции пентозофосфатного пути протекают в цитозоле.

Взаимосвязь пентозного пути и гликолиза.

Обмен гликогена.

Глюкоза как моносахарид свободно диффундирует через мембрану печеночных клеток, она не может служить резервом углеводородов в печени. Так как фосфатные эфиры глюкозы и фруктозы не столь легко проникают через мембраны, фосфорилирование этих сахаров создает как бы ловушку для них, эффективно изолируя реакции гликолиза и фосфоглюконатного пути в пределах внутриклеточного отсека. Тем не менее фосфаты сахаров не могут накапливаться в больших количествах в печени, так как благодаря осмосу увеличение их запасов будет сопровождаться накоплением больших количеств воды.

В печени происходит превращение избытка углеводов в нерастворимый полимер – гликоген. Эта резервная форма глюкозы может составлять одну десятую всей массы печени. При голодании запас гликогена почти полностью истощается.

Обмен гликогена включает в себя 2 процесса: гликогенез или синтез гликогена и гликогенолиз или распад гликогена.

Гликогенез – синтез гликогена – это анаболический процесс, требующий затраты энергии в форме как АТФ, так и уридинтрифосфата (УТФ). Исходным источником для синтеза гликогена является глю, d под действием глюкокиназы превращается в глю-6-фосфат.

Глю -6-ф занимает ключевое положение как общий промежуточный продукт ряда процессов углеводного обмена: он способен к обратимому превращению в пируват путем гликолиза или глюконеогенеза, а также к необратимому – в пентозы в ходе фосфоглюконатного пути. Глю-6-ф может обратимо превращаться в гликоген.

Затем глю-6-ф превращается в глю-1-ф. В процессе активации глю-1-ф участвуют уридиннуклеотиды. В ходе этого процесса два концевых фосфорных остатка УДФ освобождаются в виде неорганического пирофосфата, остаток УМФ соединяется с глю-1-ф, образуя УДФ-глюкозу.

Источником глю при синтезе гликогена является УДФ-глю, d образуется из глюкозо-1-ф и УТФ:

Глю-1-ф + УТФ УДФ=глю + Н₄Р₂О₇

На следующей стадии происходит перенос остатка глю с УДФ-глю на затравку гликогена с помощью гликогенсинтетазы:

УДФ-глю + (глю)_n УДФ +(глю)_n+1

Гликогенсинтетаза катализирует образование только -1,4-гликозидных связей. «Ветвящий» фермент образует -1-6 гликозидные S (точки ветвления).

Гликогенолиз – распад гликогена идет путем фосфоролиза.

Биосинтез углеводов.

Гликолиз, пентозофосфатный путь, гликгенолиз – это катаболические пути, которые сходятся в цикле лимонной кислоты, чтобы передать свои богатые энергией электроны в дыхательную цепь. Перемещаясь по дыхательной цепи к кислороду, эти электроны поставляют энергию для синтеза АТФ. Теперь нам предстоит рассмотреть анаболические пути. На этих путях химическая энергия в форме АТФ и НАДФН используется для синтеза клеточных компонентов из простых предшественников.

Организационные принципы биосинтеза.

1. Пути биосинтеза и пути расщепления тех или иных биомолекул, как правило, не идентичны. Эти пути могут включать какую-нибудь общую обратимую реакцию или даже несколько таких реакций, но у них всегда имеется хотя бы одна ферментативная стадия, по которым они различаются.

2. Биосинтетические пути и соответствующие им катаболические пути контролируется разными регуляторными ферментами. Обычно регуляция соответствующих биосинтетических и катаболитических путей осуществляется координированным образом, реципрокно, так что стимулирование биосинтетического пути сопровождается подавлением катаболитического пути и наоборот. Кроме того, биосинтетические пути регулируются обычно на одном из первых этапов. Это избавляет клетку от непроизводительных трат: она не расходует предшественники на синтез тех промежуточных продуктов, которые ей не понадобятся.

3. Требующие затраты энергии биосинтетические процессы обязательно сопряжены с поставляющем энергию расщеплением АТФ, вследствие чего весь процесс в целом является практически необратимым, точно также как в целом необратим катаболизм. Таким образом, общее количество АТФ (или НАДН), используемое на данном биосинтетическом пути, всегда превосходит то минимальное количество свободной энергии, которое требуется для превращения предшественника в биосинтетический продукт.

Центральным биосинтетическим путем является образование глюкозы из неуглеводных предшественников. У всех высших животных и человека биосинтез глюкозы абсолютно необходимый процесс. Глюкоза крови служит единственным или главным источником энергии для нервной системы (в том числе и для мозга), а также для почек, семенников, эритроцитов и для всех тканей эмбриона. У человека один только мозг потребляет 120 г глюкозы в сутки.

Дата добавления: 2015-07-13