Механизмы окислительного фосфорилирования (ОФ)

Основные положения ОФ:

движущей силой ОФ является протонный градиент ∆ μ Н⁺ /дельта мю аш/

Электроны, пробегая по ДЦ, каскадно дробно теряют энергию.

За счет этой энергии против градиента концентрации происходит перемещение протонов через мембрану (4Н⁺ на уровне 1го, 4Н⁺на уровне 3го, 2Н⁺ на уровне 4го)из матрикса.

Заряд с одной стороны мембраны	отрицательный	положительный
Среда с одной стороны мембраны	щелочная	кислая

∆ μ Н⁺=∆ᴪ+∆ р Н⁺

∆ᴪ - мембранный потенциал, ∆ р Н – градиент рН

Протоны в дальнейшем возвращаются в матрикс митохондрий по градиенту концентрации по каналу, образованному белком-ферментом АТФ-синтазой, которая состоит из 2х компонентов F₀F₁

При этом выделяется энергия для синтеза АТФ

ОФ требует целостности мембраны (внутренней митохондриальной)
Внутренняя мембрана митохондрий не проницаема для ионов (Н⁺,К⁺…)

Сопряжение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

Для образования 1 молекулы АТФнеобходимо:

затрата 7,3ккал
перепад редокс-потенциалов между соседними участками дыхательной цепи 0,2В

Пункты фосфорилирования(точки сопряжения) В дыхательной цепи – 3 участка (с перепадом в 0,2В): На уровне 1,3,4 ферментного комплекса. 2й ферментный комплекс не задействован. Вывод:

Тканевое дыхание заряжает мембрану, ОФ разряжает мембрану
Энергопреобразующие мембраны сначала генерируют ∆μН⁺, а затем реализуют его через АТФ-синтазу

АТФ-синтаза (похож на гриб)

«Шляпка гриба»	«Ножка гриба»
Фермент АТФ-аза (F₁), состоит из 9 субъединиц	F₀– канал, встроенный в мембрану, по которому пробегают протоны. «О» - олиголизин, ингибитор фермента

Регуляция окислительноего фосфорилирования (дыхательный контроль, действие разобщителей)

Уровни регуляции:

Дыхательный контроль

– изменение скорости дыхания с изменением концентрации АДФ.

При повышении концентрации АДФ => активизируется ЦТК, ДЦ, ОФ При снижении концентрации АДФ => тормозится ЦТК, ДЦ, ОФ

Разобщители

– разобщают перенос электронов и синтез АТФ. Разобщают тканевое дыхание (ТД) и ДЦ. ДЦ работает, но энергия ТД идет на тепло, а не на АТФ. Примеры разобщителей:

Естественной природы (прогестерон, тестостерон, холод)
Патологические (дифтерийный токсин)
Искусственные (ряд антибиотиков)

Свободное окисление. Бурый жир

Свободное (нефосфорилирующее) окисление В митохондриях дыхание не всегда сопровождается фосфорилированием. Бурый жир– термогенная ткань. У человека бурый жир находится у ключиц и вдоль позвоночника. Бурый – т.к. содержит много цитохромов (а в них Fe), а так же много митохондрий, кровеносных сосудов, симпатических нервных волокон. Внутренняя мембрана митохондрий бурого жира имеет специальные поры для ионов Н⁺. В них белоктермогенин(из гема). Термогенин встроен в мембрану. Он разобщающий белок.

Субстратное фосфорилирование, его отличие от окислительного фосфорилирования

Субстратное фосфорилирование(СФ) – образование АТФ за счет превращения субстрата, имеющего макроэргическую связь. Пример1: (реакция №5 из ЦТК)

Реакция проходит в митохондриях в аэробных условиях. ГТФ – образуется за счет субстрата Пример2: пируват-киназная реакция (из гликолиза) Отличия ОФ от СФ:

Окислительное фосфорилирование	Субстратное фосфорилирование
За счет энергии окисления (электроны в ДЦ)	За счет энергии субстрата
В митохондриях	В митохондриях и в цитоплазме
Главный генератор энергии	Дополнительный (но может стать главным при нехватке кислорода)
Аэробный процесс	Аэробный, анаэробный
Зависит от разобщителей	Не зависит от разобщителей

Пути образования свободных радикалов, микросомальное окисление. Биологические эффекты свободных радикалов

Использование кислорода в организме:

80-90% расходуется в ДЦ
В цепи микросомального окисления
Реакции катализируемые: оксигеназами (моно- и диоксигеназами)

Свободно-радикальное окисление. Свободный радикал– молекула с неспаренным электроном на орбите. Свободно-радикальное окисление– универсальный процесс, сопровождающий нормальную жизнедеятельность и активизирующийся при патологии. Свободный радикал образуется в организме:

В ДЦ (при образовании эндогенной воды на уровне убихинона)
При фагоцитозе
При микросомальном оксилении
При синтезе ряда гормонов

Активные формы кислорода:

Перекись водорода
Свободный радикал
Супероксид радикал
Гидроксил радикал (самый мощный мутаген)
Оксид азота

Образование активных форм кислорода:

О₂+ электрон => супероксид радикал (Ȱ₂)
Супероксид радикал + электрон + 2Н⁺=>вода
Вода + электрон + Н⁺=> вода + гидроксил радикал (ȮН)
Гидроксил радикал + электрон + Н⁺=> вода

Пути образовании супероксид радикала:

Ферментативный	Неферментативный	Под влиянием УФ-излучения
Ксантин-оксидазная реакция	Образование адреналина

Перекись водорода – цитотоксична

Пути образования:

Ферментативный	Неферментативный
В митохондриях: СОД-фермент В пероксисомах: уратоксидаза

Образование гидроксил радикала:

Н₂О₂+ супероксид радикал (Ȱ₂) => гидроксил радикал (ȮН) + ОН^-+ О₂

Образуется при облучениях.

Активные формы кислорода:

повреждают все молекулы
инактивируют ферменты
перекисное окисление липидов (ПОЛ)
окисление модификаций белков
полимеризация углеводов
разрыв связей НК

ПОЛ необходим для синтеза простагландинов, лейкотриенов,…

ПОЛ: повреждаются полиненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов мембран

RH (жирная кислота) =>R∙ =>ROO∙(пероксидный радикал)=>ROOH(гидропероксид)

ROOH=>RO∙ + ȮН (гидроксил радикал – самый страшный)

В результате избыточного ПОЛ образуются:

Альдегиды
Кетоны
Спирты

Активация ПОЛ (и др окислителей) – при многих радикальных окислениях:

Лучевые поражения
Опухоли
Гипоксия
Ишемия
Старение

Антиоксидантная система организма. Ферменты – антиоксиданты. Неферментативные антиоксиданты

Антиоксидантная система– система защиты биополимеров от деструкции

Ферментативные антиоксиданты

Неферементативные

Каталаза

Богаты эритроциты

Пероксидаза

Н₂О₂+ АН₂=>(пероксидаза)=> 2Н₂О + А АН₂– донор протонов

Супер-оксид-дисмутаза(СОД)

Богаты эритроциты Ȱ₂(супероксид радикал)+Ȱ₂+ 2Н⁺=>(сод) => Н₂О₂+ О₂ СuиZn– кофакторы СОД Лечение ожогов глаз

Глутатион-пероксидаза

Н₂О₂+ 2GSH(восстановленный)=>(глутатион-пероксидаза)=> 2Н₂О +GSSG(окисленный) (он работает при малых концентрациях, при больших вкл остальные) GSH – в активном центре содержит Se

Глутатион-редуктаза
Церулло-плазмин

Главный антиоксидант плазмы крови Кроме АО, еще и фермент (Fe²⁺=>Fe³⁺-антиоксидант)

Витамины

(С, α-токоферол, β-каротин, К, Р)

Белки

(церуло-плазмин, лактоферрин, трансферрин, альбумин)

Минеральные вещества

(Se,Zn)

Гормоны

(эстроген, тироксин)

Биогенные амины

(серотонин)

АК (ароматические)
Пигмент меланин
Убихинон
Глутатион

Антиоксиданты могут быть:

Внутриклеточные

Мембранные (α-токоферол)

Во внеклеточных жидкостях

Антиоксиданты могут быть:

Первичные	Вторичные	Третичные
Предупреждают образование свободных радикалов (СОД)	Удаляют уже образованные (витамины)	ДНК-репарирующие ферменты Восстанавливающие поврежденные ДНК структуры

Перекисное окисление липидов

Перекисное окисление липидов (ПОЛ)— окислительная деградация липидов, происходящая, в основном, под действием свободных радикалов. Одно из главных последствий радиоактивного облучения. Реакции биологического окисления сопровождаются образованием свободных радикалов. Это обусловливает высокую химическую активность этих радикалов. Например,они вступают в реакцию с ненасыщенными жирными кислотами мембран, нарушая их структуру. Через стадию перекисных производных ненасыщенных жирных кислот осуществляется:

биосинтез простагландинов и лейкотриенов
тромбоксаны, оказывающие мощное влияние на адгезивно-агрегационные свойства форменных элементов крови и микроциркуляцию, сами являются гидроперекисями.
Образование гидроперекисей холестерина — одно из звеньев в синтезе прогестерона

Цитохромы – структура, биологическая роль, локализация в дыхательной цепи.

ЦИТОХРОМЫ -сложные белки (гемопротеиды), содержащие в качестве простетической группы гем. Служатпереносчиками электронов в процессах внутриклеточного дыхания, окислительного фосфорилирования, фотосинтеза, ферментативного гидроксилирования и в других биологических ОВР. В зависимости от природы гемацитохромы делят на 4 группы: а, b, с и d.

У цитохрома а	цитохром b	у цитохрома с	у цитохрома d
гем имеет строение протопорфирина и содержит формильный заместитель	содержит протогем (ферропрото-порфирин), нековалентно связанный с полипептидной цепью	боковые заместители протопорфирина ковалентно связаны с полипептидной цепью	гем представлен дигидро-порфирином (хлорином)

Атом Fe, входящий в состав гемов цитохромов и подвергающийся окислению и восстановлению, координирован 4 связями с атомами N порфириновых колец и 2 - с лигандами, принадлежащими полипептидным цепям (остатки гистидина, цистеина).

Все цитохромы ярко окрашены и имеют характерные спектры поглощения света в видимой области, меняющиеся при их окислении или восстановлении.

Донорами электроновдля цитохромов	акцепторами
обычно служат флавины, гидрохиноны, железо-серные белки или другие цитохромы	другие цитохромы или кислород (цитохромоксидазы)

Некоторые цитохромы (цитохромоксидаза, цитохром Р-450)прочно связаны с мембранами митохондрий, микросом(липопротеидные комплексы)и не растворимы в воде, другие(напр., цитохром с) растворимы в ней.

Цитохромы реагируют с лигандами, конкурирующими с естественным координационным окружением атома Fe гемов (СО, анионы азида, цианида и др.). Связывание этих лигандов приводит к инактивации цитохромов.

Микросомальное окисление

Микросомальноеокисление – один из путей использования кислорода в клетке. O₂– окончательный акцептор, внедряется в молекулы окисляемых веществ –ксенобиотиков, выполняя пластическую функцию. Микросомальное окисление осуществляется при участии групп ферментов –микросомальных монооксигеназ. RH+HAДФН₂+O₂=> (моноксигеназы, Р450) =>ROH+ НАДФ +Н₂О +R∙ RH– плохо растворимые гидрофобные соединения RОH– гидроксилированные производные Цитохром Р-450– фермент, связывающий и метаболизирующий в организме множество неполярных химических соединений и во многих случаях являющийся первым барьером, определяющим характер и степень воздействия химических веществ на клетку. Ксенобиотики– вещества, не являющиеся участниками нормально протекающих биохимических реакций в клетках: лекарства, антибиотики, инсектициды, пестициды… Некоторые из них не имеют фармакологические, токсикологические, канцерогенные, мутагенные свойства. Роль микросомального окисления:

Повышение гидрофильности токсического вещества, улучшение его выведения, снижение токсичности
Химическая модификация структуры ксенобиотика, в результате – частичная или полная потеря его токсичности

Особенности действия:

Обезвреживание ксенобиотиков в норме зависит от их структуры, некоторые вещества не способны обезвреживаться и концентрируются в организме.
В результате окисления ряда ксенобиотиков изменяется их метаболическая активность, повышается токсичность
Каждый ксенобиотик имеет предельно допустимую концентрацию, превысив которую, он не может быть нейтрализован

Микросомальные монооксигеназы– комплекс ферментов, катализирующих восстановление одного атома молекулы О₂с образованием воды и включение другого атома кислорода в окисляемое вещество. Все ферменты микросомальной системы – мембранные белки, активные центры которых локализованы на цитоплазматической поверхности ЭР. Основной ее компонент – гемопротеин цитохром Р-450

АТФ - синтетаза, структура и функция.

АТФ-синтаза(Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов:

Гидрофобный F0

погружён в мембрану
служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране
состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс

выступает в митохондриальный матрикс
состоит из 9 субъединиц (Зα, 3β, γ, ε, δ)
субъединицы уложены попарно, образуя "головку"
между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра
γ-, ε-, δ- субъединицы связывают комплекс F1 с F0

Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμH+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμH+ происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения в ЦПЭ, используют для синтеза одной молекулы АТФ.

Энергетический баланс цикла Кребса.

В ЦТКобразуется:

2молекулыСО₂ (в изоцитрат-дегидрогеназной и α-кетоглутарат-дегидрогеназной реакциях)
3молекулыНАДН₂
1молекулаФАДН2

Окисление НАДН2в дыхательной цепи митохондрий дает:

3молекулыАТФна каждуюмолекулу НАДН2
2 молекулы АТФна каждуюмолекулу ФАДН2

За счет субстратного фосфорилирования:

1молекулаАТФ

ИТОГ: при полном окислении 1молекулыацетилКоА=> СО₂+ Н₂О +12молекулАТФ

Дыхательный контроль – основной механизм регуляции окислительного фосфорилирования

Сопряжение окисления с фосфорилированием в митохондриях отличается прочностью: если невозможен синтез АТФ, топрекращаетсяиперенос электроновв дыхательной цепи. Внесение АДФ => начинается дыхание + синтез АТФ Дыхания прекращается, когда вся АДФ превратится в АТФ Дыхательный контроль- зависимость дыхания митохондрий от концентрации АДФ Некоторые вещества разобщают окисление и фосфорилирование. Тогда потребление кислорода и окисление субстратов продолжаются, но синтез АТФ невозможен. Энергия окисления при разобщении рассеивается в форме теплоты.

KoQ, его структура, место и роль в дыхательной цепи, связь с витаминами

KoQиграет важную роль в механизме транспорта протонов через митохондриальную мембрану в пунктах сопряжения.

KoQобязательный компонент дыхательной цепи: осуществляет в митохондриях перенос электронов от мембранных дегидрогеназ (в частности, НАДН-дегидрогеназы дыхательной цепи, СДГ и т.д.)на цитохромы.