Макроэргические соединения:
Активный карбоксил
Активный формиат
Активный ацетил
Карбоноилфосфат
Креатининфосфат
1,3 – дифосфоглицерат и фосфоенолпируват
Нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты
Они обеспечивают осуществление различных видов работы, играют ответственную роль в фотосинтезе, биолюминесценции, в биосинтезе природных соединений.
1 комплекс (NADHдегидрогиназа) окисляет NADH, отбирая у него 2 электрона и перенося их на растворенный в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к 3к. 1к перекачивает 2 протона и два электрона из матрикса в межмембранное пространство.
2комплекс (сукцинатдегидрогиназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счет окисления сукцината.
3комплекс переносит электроны с убихинона на 2 водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрий.
4комплекс катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на кислород и перекачивет при этом 4 протона в межмембранное пространство.
Убихинон (KoQ) - это четырехзамещенный бензохинон, соединенный с изопреноидными остатками (у человека 10), которые придают КоQ липофильность. Осуществляет перенос за счет ОВР.
Цитохром c — небольшой гем-содержащий белок, относится к классу цитохромов, содержит в структуре гем типа c.
Цитохром c является белком с двойной функцией в клетке. С одной стороны, он является одноэлектронным переносчиком, свободно связанным с внутренней мембраной митохондрий, и необходимым компонентом дыхательной цепи. Он способен окисляться и восстанавливаться, но не связывает при этом кислород. С другой стороны, при определенных условиях он может отсоединяться от мембраны, плавать в межмембранном пространстве и активировать апоптоз.
Процесс окислительного фосфорилирования –метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в видел АТФ. Поскольку АТФ необходим для осуществления многих процессов, требующих затраты энергии (биосинтез, совершение механической работы, транспорт веществ и др.), окислительное фосфорилирование играет важнейшую роль в жизнедеятельности аэробных организмов.
При окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов от соединений-доноров к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. Эти реакции осуществляются несколькими белковыми комплексами, локализованными во внутренней митохондриальной мембране. Этот набор белков представляет собой электроно-транспортную цепь.
В процессе окислительного фосфорилирования образуются активные формы кислорода, которые вызывают образование в клетках свободных радикалов, которые причиняют вред клеткам, приводят к болезням и старению.
46. Биохимические механизмы разобщения окисления и фосфорилирования, факторы их вызывающие. Разобщение окисления и фосфорилирования — это состояние, при котором энергия, освобождающаяся в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи, не способна аккумулироваться в макроэргических связях АТФ и поэтому выделяется в виде теплоты. Рассмотрим механизм разобщения на примере динитрофенола. Он легко диффундирует через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и может переносить ионы водорода через мембрану. Поэтому 2,4-динитрофенол уничтожает ΔрН митохондриальной мембраны. Потребление кислорода и окисление субстратов при этом продолжаются, но синтез АТФ невозможен. Поскольку энергия окисления при разобщении рассеивается в форме теплоты, то разобщители повышают температуру тела (пирогенное действие). Для этого состояния характерны уменьшение ресинтеза АТФ и увеличение потребления кислорода клетками. В основе разобщения окисления и фосфорилирования могут лежать следующие механизмы: а) уменьшение градиента концентраций ионов водорода между матриксом митохондрий и цитоплазмой; б) уменьшение трансмембранного электрического потенциала на внутренней митохондриальной мембране; в) нарушения АТФ-синтетазного ферментного комплекса; г) использование энергии градиента концентраций ионов водорода не на синтез АТФ, а на другие цели (транспорт ионов кальция из цитоплазмы в митохондрии, транспорт фосфата, АДФ, АТФ и др.).
Инсулин - основной гормон, снижающий содержание глюкозы в крови. Инсулин увеличивает проницаемость плазматической мембраны для глюкозы и некоторых аминокислот. Многие клетки нуждаются в инсулине для переноса глюкозы через мембрану внутрь клетки; наиболее важным исключением являются клетки мозга. Независимо от влияния на проницаемость инсулин стимулирует синтез гликогена в печени и мышцах и других органах. Все эти изменения направлены на ускорение использования глюкозы, что приводит к снижению концентрации глюкозы в крови.
Глюкагон повышает уровень глюкозы в крови путём активирования фосфорилазы в печени, что ведёт к повышению распада гликогена, а также повышает активность ключевых ферментов глюконеогенеза, усиливает их синтез, активирует жиромобилизующую липазу. Глюкагон увеличивает распад гликогена и жиров.
Соматостатин подавляет секрецию гипоталамусом соматотропин-рилизинг-гормона и секрецию передней долей гипофиза соматотропного гормона и тиреотропного гормона. Кроме того, он подавляет также секрецию различных гормонально активных пептидов и серотонина, продуцируемых в желудке, кишечнике, печени и поджелудочной железе. В частности, он понижает секрецию инсулина, глюкагона и тд.
Вазоактивный интестинальный пептид, в отличие от других пептидных гормонов из семейства секретина, является исключительно нейромедиатором. ВИП обладает сильным стимулирующим действием на кровоток в стенке кишки, а также на гладкую мускулатуру кишечника. Является ингибитором, угнетающим секрецию соляной кислоты париетальными клетками слизистой оболочки желудка. ВИП также является стимулятором продукции пепсиногена главными клетками желудка.
Гормо́ны щитови́дной железы́ представлены двумя различными классами биологически активных веществ: йодтиронинами и полипептидным гормоном кальцитонином. Эти классы веществ выполняют разные физиологические функции: йодтиронины регулируют состояние основного обмена, а кальцитонин является одним из факторов роста и влияет на состояние кальциевого обмена, а также участвует в процессах роста и развития костного аппарата (в тесном взаимодействии с другими гормонами).
Самая важная функция этих веществ – влияние на метаболизм человека (влияет на энергетический, белковый, углеводный, жировой обмен веществ).Основные метаболические эффекты Т3 и Т4:
повышает поглощение кислорода клетками, что приводит к выработке энергии, необходимой клеткам для процессов жизнедеятельности (повышение температуры и основного обмена);
активизируют синтез белков клетками (процессы роста и развития тканей);
липолитический эффект (расщепляют жиры), стимулируют окисление жирных кислот, что приводит к их уменьшению в крови;
активируют образование эндогенного холестерина, который необходим для построения половых, стероидных гормонов и желчных кислот;
активация распада гликогена в печени, что приводит к повышению глюкозы в крови;
стимулируют секрецию инсулина.
Вторичные мессенджеры – внутриклеточные вещества, концентрация которых строго контролируется гормонами, нейромедиаторами и др. сигнальными веществами; синтезируются из доступных субстратов и имеют короткий биохимический период существования.
В результате действия внутриклеточных посредников передачи сигналов включаются процессы фосфорилирования белков, активации их ионами кальция или другими факторами, что приводит к ответу на уровне клеток : секреции, сокращению, индукции различных генов и др. цАМФ и цГМФ активируют протеинкиназу ИФ способствует выделению ионов кальция
Свободный радикал - это молекула или атом, имеющий неспаренный электрон на внешней орбите, что обусловливает его агрессивность и способность не только вступать в реакцию с молекулами клеточной мембраны, но также и превращать их в свободные радикалы.
Известны различные механизмы образования свободных радикалов. Один из них - воздействие ионизирующей радиации. В некоторых ситуациях в процессе восстановления молекулярного кислорода присоединяется один электрон вместо двух и образуется высокореактивный супероксидный анион (О). Образование супероксида - это один из защитных механизмов от бактериальной инфекции: без кислородных свободных радикалов нейтрофилы и макрофаги не могут уничтожать бактерии.
К основным антиоксидантам относятся ферменты группы супероксидных дисмутаз (SODs), функция которых заключается в каталитическом превращении пе- рекисного аниона в перекись водорода и молекулярный кислород. Поскольку супероксидные дисмутазы встречаются повсеместно, правомерно предположить, что супероксидный анион является одним из основных побочных продуктов всех процессов окисления. Каталазы и пероксидазы превращают образующуюся в процессе дисмутации перекись водорода в воду.
Наиболее известным примером свободнорадикального процесса является порча маела (прогоркание). Прогорклое масло имеет своеобразный вкус и запах, что объясняется появлением в нем новых веществ, образовавшихся в ходе свободнорадикальных реакций. Самое главное, что участниками свободнорадикальных реакций могут становиться белки, жиры и ДНК живых тканей. Это приводит к развитию разнообразных патологических процессов, повреждающих ткани, старению и развитию злокачественных опухолей.
Свободные радикалы кислорода и его активные формы (например, перекиси липидов) могут образовываться в коже и любой другой ткани под действием УФ-излучения, некоторых токсичных веществ, содержащихся воде и воздухе. Но самое главное, что активные формы кислорода образуются при любое воспалении, любом инфекционном процессе, протекающем в коже или любом другом органе, так как именно они являются главным оружием иммунной системы, которым она уничтожает патогенные микроорганизмы.
48. Антиоксидантные системы клетки и их биологическая роль.
Антиоксидантная система организма - совокупность механизмов, которые тормозят аутоокисления в клетке.
Неферментативное аутоокисление, если оно не ограничивается локальной вспышкой, является разрушительным процессом.
Антиоксидантная система включает антиоксиданты, тормозящие аутоокисление на начальной стадии перекисного окисления липидов или активных форм кислорода в мембранах. При этом образующиеся в ходе восстановления частицы с неспаренным электроном, радикалы регенерируются аскорбиновой кислотой, содержащейся в гидрофильном слое мембраны. Окисленные формы аскорбата в свою очередь восстанавливаются глутатионом , получающим атомы водорода от НАДФ или НАД. Это гарантирует стационарный крайне низкий уровень свободнорадикальных состояний липидов и биополимеров в клетке.
Наряду с цепью АО в системе ингибирования свободных радикалов в живой клетке участвуют ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные превращения глутатиона и аскорбата, - глутатионзависимые редуктаза и дегидрогеназа, а также расщепляющие перекиси - каталаза и пероксидазы.
Окисли́тельное декарбоксили́рование пирува́та — биохимический процесс, заключающийся в отщеплении одной молекулы углекислого газа (СО2) от молекулы пирувата и присоединения к декарбоксилированному пирувату кофермента А (СоА) с образованием ацетил-СоА; является промежуточным этапом между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот.
Стадия 1 Первый атом углерода (С-1) пирувата уходит в виде СО2, а С-2, в пирувате находящийся в альдегидной форме, прикрепляется к ТРР в виде гидроксиэтильной группы (—СНОН—СН3). Первая стадия является наиболее медленной и поэтому ограничивает скорость всего процесса. Эта реакция осуществляется пируватдегидрогеназой.(E1)
Стадия 2. Гидроксиэтильная группа окисляется до карбоновой кислоты. Два электрона, освобождаемых при этой реакции, идут на восстановление связи —S—S— липоильной группы Е2 до двух тиольных (—SH) групп.
Стадия 3. Ацетильный остаток, образующийся в ходе окислительно-восстановительной реакции на стадии 2, сначала связывается тиоэфирной связью с липоильной —SH-группой, а затем переносится на СоА с образованием ацетил-СоА. Таким образом, энергия окисления идёт на образование высокоэнергетического тиоэфира ацетата. Стадии 2 и 3 катализируются дигидролипоилтрансацетилазой (Е2).
Стадия 4 и стадия 5 катализируются дигидролиполилдегидрогеназой (Е3). В ходе этих двух последних реакций восстановленный липоиллизин снова возвращается в окисленную форму, который снова может участвовать в следующем цикле. Электроны, изначально принадлежавшие гидроксиэтильной группе, при этом переносятся с липоиллизина сначала на FAD с образованием FADH2, а потом на NAD+ с образованием NADH + H+[8].
50. Механизм реакций и биологическая роль цикла Кребса.
Цикл Кребса протекает в митохондриях клеток, где он тесно связан с процессами биологического окисления и окислительного фосфорилирования. Поэтому хотя цикл может «крутиться» и в отсутствии кислорода, практически он зависит от его поступления в ткани. Остановка тканевого дыхания из-за отсутствия кислорода приводит к накоплению восстановленных НАД и ФАД и к остановке цикла.
Цикл Кребса занимает центральное место в метаболизме клетки, так как в нем завершаются процессы полного окисления углеводов, жиров и белков. Так как в этом цикле используется ацетил-КоА образующийся как в процессе распада глюкозы, так и жирных кислот, то между двумя этими метаболитами наблюдается конкуренция за использование цикла Кребса.
Цикл Кребса выполняет не только катаболитическую функцию, но и анаболическую, так как в нем образуется ряд продуктов необходимых для образования важных метаболитов. Например, 2-кетоглутарат и оксалоацетат используются для образования глутамата и аспартата, цитрат -для синтеза внемитохондрального ацетил-КоА, используемого для образования жирных кислот, сукцинил-КоА -для биосинтеза гема и др. Интенсивное использование метаболитов цикла Кребса для процессов биосинтеза может привести к их недостатку для выполнения энергетических функций. Поэтому существует ряд реакций, восполняющих эту убыль. К их числу относятся реакции образования оксалоацетата из пирувата или (особенно у беспозвоночных) из фосфоенолпирувата, образование оксалоацетата и 2-кетоглутарата из аспартата и глутамата и др.
Особенностью цикла Кребса является то, что промежуточные вещества в нем не накапливаются и не расходуются, при отсутствии обмена с остальными метаболическими путями, происходит распад только ацетильных остатков. Если цикл Кребса рассматривать изолирование, то его можно рассматривать, как своеобразный ферментный комплекс катализирующий расщепление ацетил-КоА. Поэтому чтобы ускорить окисление ацетил-КоА нужно ускорить оборот цикла Кребса. Отсюда следует, что для регуляции цикла Кребса один или несколько ферментов должны существовать в двух формах - активной и малоактивной. В цикле Кребса известны 3 таких фермента: цитратсинтаза, НАД-изоцитратдегидрогеназа и 2-оксоглута-ратдегидрогеназа. Активность этих ферментов регулируется KoA-SH и соотношением АТФ, АДФ и фосфатом неорганическим.
цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций .Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двухдекарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.
Первая реакция катализируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:
По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:
Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активаторанеобходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+или Мn2+.
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакцииокислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируетсясукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередьсукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной: