СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ БИООКИСЛЕНИЯ

Согласно СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ БИООКИСЛЕНИЯ в нашем организме окисление может происходить двумя способами:

1. Путем отнятия водорода от окисляемого субстрата: сюда относятся. 2. Путем присоединения кислорода к окисляемому субстрату.

Тканевое дыхание осуществляется в митохондриях, где сконцентрированы все ферменты, принимающие участие в окислительно-восстановительных процессах клеточного дыхания. На долю ферментов дыхательной цепи приходится 25% белка мембран митохондрий. В процессе принимают участие 4 группы коферментов:

1) никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидаденин-динуклеотид фосфат (НАДФ), представляющие собой коферменты пиридиновой природы;

2)флавинаденинмононуклеотид (ФАД), флавинадениндинуклеотид (ФАД), представляющие собой коферменты флавиновой природы;

3) комплекс геминовых ферментов, убихинон (кофермент Q), цитохромная система (в. с, а);

4) цитохромоксидаза а₃.

Эти 4 группы коферментов и осуществляют перенос протонов и электронов от окисляемых органических веществ на кислород.

Электроны, отщепленные от субстратов, перемещаются по дыхательной цепи от субстратов через пиридиннуклеотиды и флавопротеиды на цитохромы, пока не достигнут молекулы кислорода, который восстанавливается с образованием воды, а энергия сконцентрируется в АТФ.

Биологическое окисление субстратов начинается с их дегидрирования - отщепления водорода, которое катализируется ферментами дегидрогеназами (ДГ).

Различают: а) дегидрогеназы анаэробные, действующие в отсутствие кислорода; они переносят электроны и протоны на промежуточные акцепторы НАД и НАДФ; б) дегидрогеназы аэробные, способные передать электроны и протоны прямо кислороду.

Действие анаэробной алькогольдегидрогеназы:

Действие аэробной дегидрогеназы альфа-аминокислот:

Анаэробные дегидрогеназы делятся на 2 группы: 1) дегидрогеназы, передающие электроны компонентам цитохромной системы; 2) дегидрогеназы, для которых акцепторами электронов служат широко распространенные в клетках животных и растений вещества, называемые кодегидразами. НАД и НАДФ являются универсальными собирателями протонов и электронов, переносимых к ним дегидрогеназами.

Дегидрогеназы и кодегидразы находятся в органеллах клеток (митохондриях и микросомах), а часть их локализована в гиалоплазме и ядре клеток. Они легко извлекаются из клеток и легко изучаются.

Дегидрогеназы, отщепив водород от субстрата, передают его флавиновым ферментам. Коферментами флавиновых ферментов являются фосфорилированный витамин В₂ и ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Активной группой в флавиновом ферменте является изоаллоксазиновое кольцо, которое легко восстанавливается, присоединяя водород от восстановленной дегидрогеназы (НАД.Н2).

Некоторые флавиновые ферменты содержат в своем составе металлы - железо, медь, молибден и называются металлофлавопротеидами. Они могут забрать водород не только от НАДН2 и НАДФН2, но и непосредственно от окисляемых субстратов.

Убихинон выделен из липидов митохондрий, принимает участие в тканевом дыхании. Когда восстановленный флавиновый фермент передает атомы водорода активированному кислороду, важная роль принадлежит цитохромам, которые содержат лабильный атом железа в геминовом кольце.

Цитохромы являются хромопротеидами, близкими по химической структуре и гемоглобину, содержат железо способное изменять свою валентность. Впервые получен цитохром с - из митохондрий сердца лошади.

Железо в цитохроме легко отдает свои электроны кислороду, переводя его в ионное состояние. Окисленный цитохром восполняет утраченные электроны от восстановленного флавина. Протоны реагируют с ионизированным кислородом, образуя воду.

Переносчиками электронов являются также белки, содержащие негеминовое железо. В этих белках несколько атомов железа связано не с производными гема, а с остатками цистеина, причем все 6 координационных валентностей железа связаны. Негеминовое железо, как и железо цитохромов, присоединяя и отдавая электроны, изменяет свою валентность. Негеминовое железо в клетках обычно сопутствует флавопротеидам.

Известно, что вторым конечным продуктом окислительных реакций является углекислота, которая образуется путем окислительного декарбоксилирования при участии ферментов из группы лиаз.

Таким образом, в основе тканевого - клеточного дыхания лежат окислительно-восстановительные реакции, протекающие в митохондриях клеток при участии дыхательных ферментов. Биологическое окисление может осуществляться одним из следующих трех путей.

1-ый путь состоит из полного набора дыхательных ферментов, обеспечивающих перенос электронов и протонов на молекулярный кислород:

субстрат → дегидрогеназа → НАД, НАДФ→ ФАД, ФМН→ убихинон- →цитохром →в → с₁ → с → а → а₃→ кислород. Это путь окисления в животных тканях.

2-ой путь состоит из меньшего числа переносчиков электронов и протонов: субстрат → ФАД (металлофлавопротеиды) → цитохромы → кислород. Это путь окисления альдегидов, ксантина и некоторых других веществ без участия НАД и НАДФ.

3-ий путь → самый короткий и осуществляется специфическими дегидрогеназами → оксидазами α-аминокислот, глюкозидазами, окисляющими субстрат, кислородом воздуха без НАД, НАДФ и цитохромов:

субстрат ФМН → кислород.

Окислительное фосфорилирование

Около 40% энергии, освобожденной при биологическом окислении резервируется в тканях в виде макроэргических соединений, главным образом в виде АТФ. Остальная часть энергии превращается в тепловую и механическую энергию. Биосинтез АТФ осуществляется из АДФ и активированного неорганического фосфата. Источником энергии для активирования в основном является энергия биологического окисления. Образование АТФ за счет энергии биологического окисления называется окислительньим фосфорилированием. Оно сопряжено с функционированием отдельных звеньев дыхательной цепи.

Окислительное фосфорилирование открыто В. А. Энгельгардтом в 1930 г. Не все вещества могут быть источником энергии для окислительного фосфорилирования. В частности, из нескольких сот окислительных реакций лишь около десятка сопряжено с активированием неорганического фосфата. При фосфорилировании возникает макроэргическая связь, богатая энергией. По предложению Ф. Липмана (1946), эта связь обозначается символом тильда «~».

При субстратном фосфорилировании субстрат соединяется непосредственно с активированным фосфатом, что приводит к образованию между ними макроэргической связи. Например, продукты анаэробного расщепления углеводов — 1,3 — дифосфоглицериновая кислота, 2 — фосфопировиноградная кислота и многие другие соединения.

Важная роль в обмене веществ принадлежит аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ).

Аденозинтрифосфорная кислота — вещество, которое объединяет процессы диссимиляции и ассимиляции, являясь универсальным донором и акцептором химической энергии в клетках. Гидролиз каждой макроэргической связи АТФ сопровождается выделением 6-8 ккал энергии на 1 грамм-молекулу.

Ферменты тканевого дыхания и сопряженного с ним окислительного фосфолирования сосредоточены в митохондриях. Кроме синтеза АТФ в митохондриях осуществляются синтез и β-окисление высших жирных кислот, синтез белка, реакции углеводного и белкового обмена и т. д. Полупериод жизни митохондрий гепатоцита составляет 9,6- 10,2 суток. Белки составляют 65-70% сухого вещества митохондрий, липиды — 25-30, РНК — 0,5%. Половина белков митохондрий являются ферментами дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. Они концентрируются в виде компактных агрегатов с молекулярной массой около 1 млн. Каждый агрегат содержит набор ферментов.

Энергия, освобождающаяся в процессе биологического окисления питательных веществ, аккумулируется в АТФ и может некоторое время

сохраняться в легко утилизируемой форме или сразу же использоваться для выполнения различных биологических синтезов и физиологических процессов.

Эффективность окислительного фосфорилирования оценивается по коэффициенту Р/О, который представляет собой отношение количества фосфата, связанного при фосфорилировании АДФ, к поглощенному количеству кислорода. Так, при окислении молекулы субстрата через восстановление НАД образуется три молекулы АТФ, Р/О = 3. При окисленни молекулы янтарной кислоты (сукцинат-дегидрогеназа переносит электроны прямо на систему цитохромов) Р/О = 2, а при окислении α-кетоглутаровой кислоты Р/О = 4.

Интенсивность окислительного фосфорилирования зависит от соотношения в клетках АТФ, АДФ и фосфорной кислоты. Последние два вещества активируют окислительное фосфорилирование, первое — подавляет.

Окислительное фосфорилирование разобщается с клеточным дыханием при низких температурах, что способствует выживаемости организма за счет повышенной выработки тепла. Процессы окисления и фосфорилирования легко могут быть разобщены путем добавления 2,4 - динитрофенола, различных ядов, олигомицина, грамицидина, а к естественным разобщителям относится гормон щитовидной железы -тироксин.

В тканях кроме окисления, сопряженного с фосфорилированием, происходит дыхание без фосфорилирования. Его называют свободным, или нефосфорилирующим тканевым дыханием. В данном случае функционирует только дыхательная цепь.

А. Ленинджер в 1951 - 1954 гг. на изолированных митохондриях печени крыс экспериментально подтвердил это предположение и обосновал два важных вывода:

1) перенос водорода и электронов с НАД•Н2 на кислород происходит двумя путями, из которых только один сопряжен фосфорилированием;

2) оба пути окисления НАД.Н2 в митохондриях пространственно разграничены — окисление, сопряженное с фосфорилированием, локализовано внутри митохондрий, свободное — на их поверхности, а также в особых субклеточных частицах — пероксисомах, находящихся в гиалоплазме.

Главным ферментом пероксисом является пероксидаза (каталаза), окисляющая Н₂О₂ и образующаяся в процессе свободного окисления.

При свободном окислении на поверхности митохондрий промежуточные и конечные продукты биологического окисления такие же, только АТФ в данном случае не синтезируется. Следовательно, под свободным окислением понимают процесс потребления кислорода, не сопровождающийся образованием АТФ.

Переключение различных путей окисления в организме животных является одним из способов регуляции обмена веществ и приспособления организма к меняющимся условиям среды. В работах С.Е. Северина и В.П. Скулачева показано, что животные, у которых сохраняются на холоде сопряженностъ окисления и фосфорилирования, впадают в гипотермическое состояние и гибнуг. Животные, у которых происходит разобщение окисления и фосфорилирования в мышцах, переносят холод длительное время. Организм животного при различных физиологических и патологических состояниях может переключить направление обмена веществ или в сторону синтеза АТФ, или в сторону выработки тепла, необходимой для поддержания температуры на соответствующем уровне.

Общепринятой теорией, объясняющей механизм окислительного фосфорилирования является хемиосмотическая теория П.Митчелла (1961), которому в 1978 году присуждена Нобелевская премия, согласно которой электрическая энергия разности потенциалов протонов Н на митохондриальной мембране, превращается в химическую энергию АТФ.

Тканевое дыхание растений называют фотосинтез процесс поглощения

лучистой энергии Солнца зелеными растениями и образование из диоксида углерода и воды глюкозы и выделение молекулярного кислорода.

свет

6СО₂ + Н₂О → С₆ Н₁₂О₂ + О₂

зеленые растения

В этой реакции атомы водорода идут на восстановление диоксида углерода, а ее кислород выделяется в молекулярном виде.

Фотосинтез является первичным механизмом накопления энергии в живых системах и преобразовывает энергию света в химическую органических соединений. Процесс протекает в хлоропластах, которые

представлены в виде дисковидных образований диаметром 5-10- мкм, толщиной – 0,5-2,0 мкм, построенных из внутренней и наружной мембран, плотно уложенных параллельно друг другу. Мембрана окружает бесцветную строму –жидкость, которая пронизана множеством плоских замкнутых мембранных карманов, называемых тилакоидами. Тилакоиды окрашены в зеленый цвет, обычно собраны в стопки – граны, число которых составляет 40-80 на 1 хлоропласт. Все граны соединены между собой листками мембран – ламеллами, проходящими через строму. В тилакоидах находятся основные фотосинтезирующие пигементы – хлорофиллы. У высших растений содержится два вида хлорофилла – хлорофилл а – сине-зеленый (70%) и хлорофилл в (желто-зеленый) (30%).

Он подразделяется на две стадии: первая стадия происходит под действием энергии света при освещении растений и называется световой реакцией. Вторая стадия – темновая, может идти как в темноте, так и на свету.

При световой реакции осуществляются три процесса: окислительное расщепление (фотолиз) воды, за счет энергии света: 2Н₂О → О₂ + 4Н⁺ +4е^- и образование двух высокоэнергетических веществ – АТФ и НАДФ и выделение кислорода: НАДФ⁺ + 2Н⁺ + 2е^- → НАДФН + Н⁺. В этих реакциях перенос электронов происходит от положительного восстановительного потенциала к отрицательному. В дыхательной цепи в митохондриях перенос электронов осуществляется в обратном напоавлении от НАДФ к кислороду с потерей свободной энергии. В хлоропластах поток электронов направлен от состояния с низкой энергией (Н₂О) к состоянию с высокой энергией (НАДФ), т.е. осуществляется перенос электронов против градинета окислительно-восстановительного потенциала за счет энергии света.

Общее уравнение образования высокоэнергетических соединений:

свет

2АДФ+ 2Фн + 2НАДФ⁺ + 4Н₂О → 2АТФ + 2НАДФ + О₂ + 2Н₂О. При темновой реакции осуществляется ферментативное превращение диоксида углерода в углеводы и другие органические вещества с участием АТФ и

ферменты

НАДФ: 6СО₂ → С₆ Н₁₂О₂. Темновые реакции являются сложными

АТФ, НАДФ

циклическими процессами. Их механизм изучен М. Кальвином (1950 г., Нобелевская премия в 1961 г.), поэтому процесс называется циклом Кальвина. Цикл включает три фазы. Первая фаза – фиксация. В этой реакции СО₂ фиксируется рибулозо-1,5-дифосфатом и образуются 2 молекулы 3-фосфоглицерата. Вторая фаза – восстановление. 3-фосфоглицерат при участии НАДФН (восстановитель) и АТФ (донор энергии) восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата. Три молекулы СО₂ фиксируются тремя молекулами рибулозо-1,5-дифосфата, в результате образуются 6 молекул глицеральдегид-3-фосфата (18 атомов С). Третья фаза – регенерация. Каждая 6-я молекула глицеральдегид-3-фосфата выходит из цикла. Из нее образуется фруктозо-1,6-дифосфат, из которого в свою очередь синтезируются глюкоза, крахмал, целлюлоза и. т.д. Из остальных молекул глицеральдегид-3-фосфата при участии новых молекул АТФ регенерируется рибулозо-1,5-дифосфат. В качестве промежуточных продуктов образуются различные фосфаты сахаров.

Процесс протекает в хлоропластах, который представлен в виде дисковидных образований диаметром 5-10- мкм, толщиной – 0,5-2,0 мкм, построенных из внутренней и наружной мембран, плотно уложенных параллельно друг другу. Мембрана окружает бесцветную строму –жидкость, которая пронизана множеством плоских замкнутых мембранных карманов, называемых тилакоидами. Тилакоиды окрашены в зеленый цвет, обычно собраны в стопки – граны, число которых составляет 40-80 на 1 хлоропласт. Все граны соединены между собой листками мембран – ламеллами, проходящими через строму. В тилакоидах находятся основные фотосинтезирующие пигементы – хлорофиллы. У высших растений содержится два вида хлорофилла – хлорофилл а – сине-зеленый (70%) и хлорофилл в (желто-зеленый) (30%).

Тема 14 – Биосинтез белков и нуклеиновых кислот

Рост и развитие организма осуществляется за счет деления клетки. Применением метода микроспектрометрии было установлено, что при делении клетки удваивается и молекула ДНК. Процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Процесс катализирует фермент ДНК-полимераза. Репликация обеспечивает точное повторение генетической информации, заключенной в ДНК. Участок молекулы ДНК, где происходит автоматическое расплетание ДНК, называют репликационная вилка, процесс катализирует фермент хеликаза. Каждая из разделенных цепей прочно связывается с ДНК-связывающим белком, препятствующим их обратному восстановлению. К каждой родительской нити синтезируется новая – по принципу комплементарноcти. Такой процесс репликации называется полуконсервативным.

Биосинтез РНК – это транскрипция ДНК, которая представляет собой перевод нуклеотидной последовательности ДНК в нуклеотидную последовательность РНК. Процесс катализирует фермент РНК-полимераза.

Современную теорию генетической информации можно сформулировать так: мРНК синтезируется в ядре на ДНК и воспринимает от ее определенного участка характерное, комплементарное расположение нуклеотидов, что соответствует какому-то гену. Затем мРНК переходит в цитоплазму и включается в белоксинтезирующий комплекс. Синтез белка на мРНК и рибосомах называют трансляцией. Таким образом, передача генетической информации в клетке происходит по направлению:

ДНК транскрипция мРНК трансляция Белок

Процессы биосинтеза ДНК, мРНК и белка, являются матричными, в целом, для них характерны три стадии: инициация – образование первой связи между мономерами, элонгация – процесс присоединения следующих мономеров, терминация – окончание синтеза полимерной цепи.

Процесс биосинтеза белка включает четыре этапа:

1. Активация аминокислот

2. Образование белоксинтезирующего комплекса

3. Трансляция

4. Формирование конформационной структуры белка

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: