Биологическое окисление.

Тема. Биологическое окисление и его сопряжение с фосфорилированием. Механизмы биосинтеза АТФ. Пероксисомы и системы микросомального окисления. Лекция №10 План 1. Классификация процессов биологического окисления. Локализация в клетке. Механизмы синтеза АТФ. 2. Пероксисомы. Микросомальное окисление.  3.Биологическое   окисление   и   его   сопряжение   с   окислительным фосфорилированием. Электронно­транспортная цепь. Классификация процессов биологического окисления. Локализация в клетке. Механизмы синтеза АТФ. Существует два типа биологического окисления: 1. Свободное   окисление,  не   сопряженное   с   фосфорилированием   АДФ,   не сопровождающееся   трансформацией   энергии,   выделяющейся   при   окислении, в энергию макроэргических связей. При свободном окислении  высвобождающаяся при   сопряженном   с   окислением   распаде   химических   связей  энергия переходит в тепловую и рассеивается. По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все   окислительные   реакции,   ускоряемые   пероксидазами   или   сопровождающиеся образованием Н2О2.  Процессы   свободного   окисления   сосредоточены   в   цитозоле,   в   мембранах эндоплазматической   сети   клетки,   в   мембранах   лизосом,   пероксисом   и   аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов. Они идут также в ядерном аппарате клетки. 2. Окисление,   сопряженное   с   фосфорилированием   АДФ.  Этот   тип   биологиче ского окисления осуществляется двумя способами. Если   макроэргическая   связь   возникает   в   момент   непосредственного   окисления субстрата, а затем тем или иным путем передается на фосфатный остаток, который, в свою очередь, используется для фосфорилирования АДФ, т. е. синтеза АТФ, то такой   вид   биологического   окисления   называют   окислением,   сопряженным  с фосфорилированием  АДФ   на   уровне   субстрата  или  субстратным   фос­ форилированием. Если   атомы   водорода  с  коферментов   дегидрогеназ,   принимающих   участие   в окислении   субстратов,   передаются   в   оксидоредуктазную   цепь,   где   сопряженно   с переносом   протонов   и   электронов   на   молекулярный   кислород   происходит активирование неорганического фосфата, фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, то такое сопряжение окисления с синтезом АТФ называют сопряжением  на уровне   электронотранспортной   цепи.   Сам   окисляемый   субстрат   в   этом   случае непосредственного участия в активировании неорганического фосфата не принимает. Этот вид биологического окисления называется окислительным фосфорилированием или «дыханием». Образование АТФ для нужд клеток, идет на внутренних мембранах митохондрий. Субстратное   фосфорилирование  сосредоточено   в  растворимой   части   клетки. Примерами сопряжения окисления с фосфорилированием на уровне субстрата могут служить   реакции   окисления   3­фосфоглицеринового   альдегида   в   1,3­ дифосфоглицериновую   кислоту,   2­фос­фоглицериновой   кислоты   —   в   2­ фосфоенолпировиноградную,   ­кетоглутаровой   кислоты—в   янтарную   кислоту (здесь   фосфорилируется   ГДФ).   С   возникающих   при   этом   соединений   фосфат, связанный макроэргической связью, легко передается на АДФ (или ГДФ). Один из примеров   такого   сопряжения   и   механизм   переноса   активированного   фосфата   на АДФ   детально   рассмотрены   выше.   Однако   посредством   реакций   субстратного фосфорилирования образуется сравнительно небольшое количество АТФ. α Фотосинтетическое  и  хемосинтетическое   фосфорилирование   АДФ,   сопро­ вождающееся   биосинтезом   АТФ,   также   происходит   путем   сопряжения   переноса электронов   в   электронотранспортных   цепях   с   активированием   неорганического фосфата.   Механизм   этого   сопряжения   близок   к   таковому   при   окислительном фосфорилировании в митохондриях, что подчеркивает единую природу процессов, приводящих к синтезу АТФ у гетеротрофных и аутотрофных организмов. Пероксисомы. Микросомальное окисление.  Реакции   свободного   окисления   органических   соединений   в   живой   природе, многообразны.  Реакции   свободного   окисления   идут   в   цитозоле,     на   мембранах   различных субклеточных   структур,   но   в   основном   средоточием   их   являются   мембраны эндоплазматической сети клетки.  При   фракционировании   субклеточных   частиц   гомогената   эндоплазматической сети образуется фракция микросом.  Функции микросомальной дыхательной цепи в настоящее время изучаются.  Особенности микросомального окисления  ­ ни в одном пункте цепи не происходит сопряжения с фосфорилированием АДФ.  ­   цитохромы  b5  и   Р­450   имеют  своеобразную  структуру   и   функциональную активность. Цитохром Р­450 (M = 50000, гемопротеин,) обладает множеством форм, возникающих в ответ на введение (или попадание) в организм того или иного класса ксенобиотиков, подобно тому, как антитела синтезируются в ответ на присутствие антигенов;   поэтому   цитохром   Р­450   считают   своего   рода   «мембранным иммуноглобулином». терминальные   оксидазы   микросомальных   цепей   имеют   высокое   сродство  к кислороду,   позволяющая   ей  конкурировать   за   кислород  с   митохондриальной цитохромоксидазой. Поэтому, например, в клетках печени доля микросомального окисления эндогенных субстратов составляет 40%, а митохондриального — 60%. Свободное   окисление.  Реакции   свободного   окисления   идут   при   участии оксигеназ.   Этот   подкласс   оксидоредуктаз   содержит   ферменты,   ускоряющие включение   в   окисляемый   субстрат   либо   двух   (диоксигеназы),   либо   одного (монооксигеназы) атома молекулярного кислорода. Одной из биологически важных диоксигеназных реакций является превращение β­ каротина в витамин А: Биологическое   окисление   и   его   сопряжение   с   окислительным фосфорилированием.   Электронно­транспортная   цепь.  Главная   масса   АТФ   у аэробных   организмов   синтезируется   путем   окислительного   фосфорилирования   в митохондриях ­ энергетических фабриках клетки. Атомы водорода, снятые с субстратов в цикле дикарбоновых и трикарбоновых кислот,   при  β­окислении   высших   жирных   кислот,   при   пируватдегидрогеназной, глутаматдегидрогеназной и некоторых других реакциях поступают в дыхательную цепь   ферментов   внутренней   мембраны   митохондрий.   Универсальным   донором атомов   водорода   для   дыхательной   цепи   ферментов   служит   НАДН.   Если   при окислении субстрата возникает НАДФН, то осуществляется реакция  Другим   первичным  источником  атомов  водорода   и  электронов   в  дыхательной цепи служит восстановленный  флавопротеин ФАД  (окисление янтарной кислоты в цикле трикарбоновых и дикарбоновых кислот).  Дыхательная цепь ферментов митохондриальной мембраны ­  НАДН, с которого атомы  Η передаются на первый белковый компонент дыхательной цепи — флаво­ протеин, несущий флавинмононуклеотид (ФМН) в качестве кофермента. Остальные компоненты дыхательной цепи располагаются в порядке возрастания их нормальных окислительно­восстановительных обеспечивающих упорядоченную передачу атомов водорода и электронов по такой редоксцепи.  потенциалов     (Е0 ’), E0’   —   окислительно­восстановительные   потенциалы   компонентов   дыхательной цепи;  ΔЕ0  —   разность   потенциалов   между   компонентами   дыхательной   цепи   в точках   сопряжения   с   фосфорилированием   АДФ   (подчеркнуты   толстой   черной линией); I, II, III —точки сопряжения.  Здесь   происходит   сопряжение   окисления   с  фосфорилированием   АДФ,   так   как разность   энергетических   уровней   электрона,   транспортируемого   с   огромной скоростью (около 1 мс от одного переносчика к другому), вполне достаточна для синтеза макроэргической связи и составляет 51 кДж для I, 36 — для II, 80,7 кДж для III  точки сопряжения. В целом интенсивность окислительного фосфорилирования определяется энергетическим зарядом, т. е, соотношением моно­, ди­ и трифосфатов аденозина: Структура митохондрии (А) и схема расположения ферментов дыхательной цепи и АТФ­синтазного комплекса в ее внутренней мембране (Б): ФМН — флавопротеин с флавинмононуклеотидом в качестве кофермепта, FeS— железосерные белки; Q—убихинонпротеин; b, с1 и c — цитохромы, а а3  — цитохромоксидаза Наряду   с   дыхательным   ансамблем   ферментов   в   мембране   находится   АТФ­ синтазный комплекс, ответственный за образование АТФ – протонная АТФ­аза. АТФ­ синтазный   комплекс   представлен   грибовидными   выростами,   которые   усеивают внутреннюю мембрану и обращены в сторону матрикса митохондриальных частиц. Согласно   хемиосмотической   гипотезе,   структурные   и   функциональные   особенности сопрягающей мембраны обеспечивает биосинтез АТФ.  В процессе функционирования дыхательной цепи ферментов в сопрягающей мембране митохондрий, происходит активный перенос шести Н+  из матрикса в межмембранное пространство   на   каждую   пару   электронов,   проходящих   по   электронотранспортной цепи.  В результате создается трансмембранная разность потенциалов, так как с внешней стороны   внутренней   мембраны   митохондрий,   в   межмембранном   пространстве, накапливаются Н+, а на внутренней ее стороне, в матриксе, — ОН­  Возникает градиент электрохимического потенциала Н+  (его обозначают как ΔμΗ+). Он   складывается   из   градиента   электрического   потенциала   —  Δψ  и   градиента концентрации водородных ионов—ΔpΗ и является движущей силой синтеза АТФ. Ионы Н, накопившиеся в межмембранном пространстве митохондрии, перенесенные туда   за   счет   потерянной   электронами   энергии   в   процессе   их   транспорта   по дыхательной цепи ферментов и перехода с более высокого энергетического уровня в окисляемом   субстрате   на   более   низкий   энергетический   уровень   в   активированной молекуле кислорода, стремятся вернуться в митохондриальный матрикс.  Энергезированная,   электрически   заряженная   внутренняя   мембрана   митохондрий способна разрядиться. Этот процесс осуществляется при помощи протонной АТФазы. Протонная АТФаза (Н+­АТФаза)—липопротеиновый комплекс, синтезирующая АТФ сопряженно с трансмембранным переносом водородных ионов.  Функция протонной АТФазы сводится к транспорту протонов внутрь митохондрии, к снятию электрохимического градиента. При этом происходит синтез АТФ. Поэтому ее называют также АТФ­синтазой. Строение протонной АТФазы  АТФ­синтаза   (протонная   (АТФаза)   представлена   двумя   белковыми   комплексами, состоящими, в свою очередь, из субъединиц. Первый из них, полностью «утопленный» в сопрягающую   мембрану   и   пронизывающий   ее   насквозь,   состоит   из   трех   видов гидрофобных полипептидных цепей и обозначается как FQ.  Функция состоит в доставке протонов из межмембранного пространства, ко второму белковому комплексу, плотно к нему примыкающему. Второй комплекс включает в свой состав пять различных белков и выступает в виде грибовидного   выступа.   Это  F1­фактор   или   сопрягающий   фактор,   непосредственно ответственный за биосинтез АТФ.  По   данным   ряда   авторов,   субъединичный   состав   сопрягающего   фактора подчиняется   формуле  α3β3γδε.   Полагают,   что   каталитический   центр,   ускоряющий реакцию синтеза АТФ из АДФ и Н3РO4, находится на β­субъединице, а α­субъединица прикрывает его от воздействия ингредиентов митохондриального матрикса. Есть также мнение, что ε­субъединица регулирует деятельность протонной АТФазы, ингибируя ее способность гидролизовать АТФ. Аналогично построены и действуют хлоропластная и бактериальная Η+­АТФазы.