Актуальная Медицина

Это важно.

Мы предлагаем удобный сервис для тех, кто хочет купить – продать: земельный участок, дом, квартиру, коммерческую или элитную недвижимость в Крыму. //crimearealestat.ucoz.ru/ Перепечатка материалов разрешена только при условии прямой гиперссылки //allmedicine.ucoz.com/

Statistics

Онлайн всього: 58

Гостей: 58

Користувачів: 0

Чат

82 Субстратне фосфорилювання. Мембранне фосфорилювання. Спрягаючі мембрани. Теорія Мітчела (хемосмотична теорія)
Субстратне фосфорилювання відбувається при перенесенні фосфорнокислого залишку з супермакроергічної речовини безпосередньо на АДФ, наприклад:
Фосфоенолпіруват + АДФ = піруват + АТФ.
В біоенергетиці субстратне фосфорилювання має другорядне значення. Наприклад, в енергозабезпеченні роботи м’язів перетворення такого типу здійснюється в перші миті роботи. З 3 до 20 с роботи синтез АТФ забезпечується перенесенням фосфату з креатинфосфату на АДФ. Вже на 3-й хвилині роботи швидкість цієї реакції складає біля 1,5% від початкової. Супермакроергічні продукти анаеробного розпаду глюкози (1,3-дифосфогліцерат і фосфоенолпіруват) максимально використовуються через 30 – 40 с м’язевої діяльності. Надалі енергія постачається переважно за рахунок мембранного аеробного фосфорилювання. І лише в “аварійних” ситуаціях включається сама невигідна для організму реакція субстратного фосфорилювання – міокіназна:
АДФ + АДФ = АТФ + АМФ.
Мембранне фосфорилювання є основним шляхом енергозабезпечення біосистем. Воно здійснюється на так званих спрягаючих мембранах, які трансформують електричний потенціал в хімічну енергію АТФ. Мембранне фосфорилювання здійснюється в процесі фотосинтезу (фотофосфорилювання) і в процесі дихання (окисне фосфорилювання). Обидва процеси локалізовані в мембранах: у еукаріотів - у внутрішніх мембранах хлоропластів і мітохондрій, а у прокаріотів - в цитоплазматичній мембрані. В цих мембранах енергія зовнішніх ресурсів світла - при фотосинтезі, або субстратів окислення - при диханні вивільняється в процесі переносу електронів по ланцюгам окисно-відновних ферментів і трансформується в електрохімічну енергію трансмембранного потенціалу йонів Н+ (DmН+), яка, в свою чергу, перетворюється в енергію хімічну при фосфорилюванні АДФ неорганічним фосфатом.
Спрягаючі мембрани, на відміну від інших біомембран, характеризуються, стандартною товщиною (7-9 нм), перевагою вмісту білків над ліпідами, досить низьким вмістом холестерину. Близько третини білків цих мембран припадає на ферменти переносу електронів.
Роль спрягаючих мембран в процесах фосфорилювання була продемонстрована
. Мітчелом, який висунув хеміосмотичну гіпотезу (І966 p.
. Інші гіпотези, висунуті для пояснення механізму фосфорилювання, на наш час являють лише історичний інтерес. Гіпотеза П. Мітчела дістала підтвердження, зокрема в експериментах В. П. Скулачева з співр. і групи Е. О. Лібермана та інших дослідників і набула рангу теорії, а П. Мітчел був відзначений Нобелівською премією у 1978 р. Проте проблема спряження окислення або фотосинтезу з фосфорилюванням надзвичайно складна і багато деталей потребують пояснення. Як жартує один із засновників біоенергетики Е. Рекер: “Кожен, хто не заплутався в проблемі окисного фосфорилювання, просто не зрозумів ситуації”.
Основні положення хеміосмотичної теорії П. Мітчела:
1. Спрягаюча мембрана непроникна для НАДН і протони
2. Дихальний ланцюг орієнтований впоперек мембрани.
3. При окисненні субстрату протони виділяються назовні, в міжмембранний простір,
а електрони передаються наступному переноснику, який добирає потрібні два протони з внутрішнього середовища мітохондрій. Таким чином, внаслідок дихання зовнішній бік мембрани заряджається позитивно, на ньому накопичується надлишок протонів, а внутрішній - негативно, на ньому накопичуються гідроксил-йони. Виникає трансмембранний електрохімічний градієнт йонів Н+ (DmН+), що підтверджено експериментально:
Процес синтезу АТФ супроводжується захопленням двох протонів з міжмембранного простору виділенням двох протонів у внутрішнє середовище мітохондрій. Таким чином, в процесі дихання створюється DmН+,а в процесі фосфорилювання він використовується. Фермент синтезу АТФ - АТФ-синтетаза, вбудований в мембрану, служить єдиним каналом, по якому протони можуть попасти іззовні на внутрішній бік мембрани, де здійснюється синтез АТФ:

Окисне фосфорилювання є зворотнім процесом – розкладаючи АТФ можна зарядити мембрану.
Для розрахунку енергетичного балансу метаболічних шляхів приймаємо, що в дихальному ланцюгу при перенесенні двох електронів від НАДН до атома оксигену у максимально сприятливих умовах синтезується 3 АТФ, а від сукцинату до атома оксигену – 2 АТФ. При цьому не враховуються витрати на обмін внутрішнього АТФ на зовнішній АДФ та поглинання інших субстратів. Істинне значення відношення Р/О, тобто відношення кількості молекул синтезованого АТФ на один атом відновленого оксигену, в мітохондріях знаходиться в межах 2,5 – 2.8.
Мембранний механізм енергетичного спряження використовується як в окисному, так і в фотофосфорилюванні. Однак спрягаючі мембрани мітохондрій і хлоропластів мають протилежну орієнтацію DmН+. Якщо в мітохондріях потік електронів спрямований від НАДН до Н2О, то в хлоропластах - від Н2О до НАДФ+. Орієнтація фосфорилюючого фермента АТФ-синтетази в їх мембранах також протилежна: в мітохондріях його вирости виступають у внутрішній матрикс, а у хлоропластів -назовні. А. Ленінджер відзначає, що порівняно з мембранами мітохондрій мембрани хлоропластів ніби вивернуті на зворотний бік:
Процес фотофосфорилювання можна виразити рівнянням:

АДФ + Фн + hn ® АТФ + Н2О

Первинним актом перетворення енергії світла при фотосинтезі є поглинання її молекулою хлорофілу, його збудження і фотоокиснення. Окиснений хлорофіл відбирає електрони від атомів оксигену води, здійснюючи її фотоліз з утворенням О2 і Н+. Цей цикл спряжений з утворенням мембранного потенціалу, оскільки електрони від хлорофілу передаються на зовнішній бік мембрани хлоропласту, зумовлюючи його негативний заряд, а на внутрішньому боці мембрани акумулюються протони, які утворились в результаті фотолізу.
Електрони передаються по окисно-відновному ланцюгу на НАДФ+. Продукт його відновлення НАДФН використовується в реакції відновлення при фотосинтезі вуглеводів. Таким чином, основний ресурс кисню в атмосфері утворюється як побічний продукт відновлення НАДФ. За рахунок поляризації мембрани (DmН+) синтезується АТФ. Таким чином, при фотосинтезі можна виділити два взаємопов’язаних процеси, які забезпечують енергією синтез вуглеводів:
відновлення НАДФ і створення DmН+ за рахунок енергії світла :
2Н2О + 2НАДФ=2НАДФН + 2Н+ +О2 + DmН+
Фотофосфорилювання за рахунок DmН+:

АДФ+Фн+DmН+------------------АТФ+Н2О

83 Процеси біологічного окиснення
Біологічне окиснення, тобто ферментативне окиснення органічних речовин в живих системах, полягає в поступовому відщепленні від них атомів гідрогену, а в їх складі електронів. При цьому кінцевим продуктом окиснення карбону органічних речовин є СО2.Атоми гідрогену, які відщеплюються від субстратів, зв’язуються проміжними переносниками. Ними служать коферменти НАД, НАДФ, ФАД, хінони та ін. Ферменти, які здійснюють відщеплення гідрогену від субстратів, мають спільну назву - дегідрогенази. Самим поширеним хіноном-переносником гідрогену є убіхінон або коензим Q (KoQ):

Перенесення електронів здійснюється за різними механізмами: шляхом зміни валентності металу перемінної валентності (переважно заліза або міді), зв’язаного безпосередньо з білком (простий кофактор), або у складі комплексу (залізовмісні гемові білки цитохроми): Fe3++e↔Fe2+, Cu2++e↔Cu+
Іншими переносника служіть білки, які містять так звані залізо-сіркові кластери ([FeS]n), в яких чергуються атоми заліза і сірки, утворюючі замкнені структури, з’єднані з білком через залишки цистеїну, наприклад: [FeS]4:
Кожний кластер зв’язує по одному електрону: [FeS]4 + е « [FeS]4-.
Переносники атомів гідрогену і електронів утворюють в клітині ланцюги, в яких самовільне перенесення електронів здійснюється в напрямку зростання відновного потенціалу.Окиснення може здійснюватись у безкисневих умовах - анаеробно, і в кисневих -аеробно. Аеробне окиснення дозволяє вилучити з органічної речовини максимальну кількість енергії. При цьому гідроген переноситься в кінцевому рахунку на кисень з утворенням води. Ферменти, які переносять електрони на молекулярний кисень, називаються оксидазами.Схематично перенесення гідрогену від субстратів до кисню за допомогою переносника А можна зобразити так

Ферменти, що включають атоми оксигену в субстрат, який окиснюється, називаються оксигеназами. Вони поділяються на моно- і диоксигенази за кількістю атомів оксигену, що включається в молекулу субстрату. Процеси ферментативного використання молекулярного кисню називаються тканинним диханням. За локалізацією і способом утилізації енергії ці процеси поділяються на мікросомальне або вільне окиснення і мітохондріальне, спряжене з фосфорилюванням.
Мікросомне окиснення відбувається на мембранах цитоплазматичного ретикулуму, які при виділенні утворюють мікросоми. Воно відіграє важливу роль в метаболізмі амінокислот, стеролів, інших природних метаболітів, а також детоксикації ряду чужерідних сполук (ліків, тощо). Крім відновленого субстрату цей процес потребує парного донора атомів гідрогену (ФАДН2 або НАДФН+Н+), а в якості переносника електронів використовує цитохром Р450.
S – Н + О2 + 2Fe2+(P450) + 2Н → S – ОН + Н2О + 2Fe3+(P450)

Ферменти мітохондріального окиснення локалізуються на виростах внутрішніх мембран мітохондрій - кристах і утворюють в них дихальні ланцюги з декількох дегідрогеназ і переносників електронів. Дихальний ланцюг мітохондрій складається з чотирьох ферментативних комплексів:
І комплекс - НАДН:КоQ-оксидоредуктаза переносить атоми гідрогену від НАДН, який безпосередньо окиснює більшість субстратів, на коензим Q. До її складу входять флавопротеїд (ФП) та залізосірковий білок. ІІ комплекс – сукцинат:КоQ-оксидоредуктаза окиснює сукцинат за допомогою ФП. Він містить також залізосірковий білок.ІІІ комплекс – КоQ:цитохром с оксидоредуктаза виступає в ролі “колектора”, оскільки збирає атоми гідрогену з двох вихідних систем. Убіхінон добре розчинний у ліпідній фазі мембрани і тому виконує функцію рухливого переносника, який збирає атоми гідрогену з різних фіксованих білків - флавінових дегідрогеназ. Крім КоQ цей комплекс включає цитохроми b і с і залізосірковий білок. На цьому етапі відбувається роз’єднання електронів і протонів атомів гідрогену оскільки цитохроми переносять тільки електрони. Протони вивільняються у міжмембранний простір мітохондрій і підкиснюють його, а електрони переносяться на IV комплекс ланцюга – цитохром с:кисень-оксидоредуктазу, яка каталізує відновлення молекулярного кисню до О2-. Цей комплекс містить цитохром аа3, який ще називають цитохромоксидазою. Це єдиний компонент дихального ланцюга, який може відновлювати молекулярний кисень до 2О2-, тобто переносить на нього чотири електрони. Він містить два геми і два атоми міді, які в процесі перенесення електронів змінюють ступінь окиснення (Cu2+ + e-↔ Cu+).
Відновлений кисень взаємодіє з протонами, які поступають з середовища і утворюється молекула води. Схематично шлях атомів гідрогену від субстрату до кисню можна зобразити так:

Майже всі субстрати, які окиснюються в клітинах в аеробних умовах, віддають свої електрони в кінцевому рахунку у дихальний ланцюг мітохондрій. Якщо окиснення здійснюється за межами мітохондрій, то спеціальні трансмембранні човникові системи переносять гідроген від НАДН (НАДФН) з цитоплазми на внутрішню мембрану мітохондрій. Для самого НАДН мембрани непроникні:

При перенесенні атомів гідрогену по дихальному ланцюгу виділяється велика кількість енергії. Зміна стандартної вільної енергії при перенесенні двох атомів гідрогену по повному дихальному ланцюгу становить 220,1 кДж/моль.

84.Макроергичні молекули
До макроергичних належать з'єднання, при гідролізі яких виділяється енергія не менш 7 ккал/моль. Це число - умовна одиниця, що означає всього лише якийсь рівень відліку, відповідно до якого АТФ і кілька інших з'єднань відрізняються від інших природних з'єднань. Відповідно назва "макроергична" вживається для об'єднання сполук у групу речовин макроергичних і для вказівки їхньої особливої важливості в переносі енергії в живій клітині

Макроергічні сполуки

Нуклеозидтрифосфати
Найпоширенішими высокоенергетическими загальними проміжними продуктами є нуклеозидтрифосфати (НТФ), які можуть передавати свою кінцеву высокоенергетичну фосфатну групу кожної із численних органічних молекул - акцепторів (найчастіше енергія утвориться у вигляді АТФ). Особливість высокоенергетичних нуклеотидів полягає в тому, що вони виступають як уноверсальне джерело енергії для великого числа енергозалежних реакцій.
Молекула АТФ складається з аденилатной групи й трьох залишків фосфорної групи. Значна частина вільної енергії цієї молекули обумовлена взаємним електростатичним відштовхуванням цих фосфатних залишків аналогічно взаємному відштовхуванню однойменно заряджених зарядів. Розрив зв'язків між залишками фосфорної кислоти супроводжується звільненням енергії. З'єднанням, що грає найбільш важливу роль у клітинній енергетиці, є АТФ, тому що:
1. Хімічна енергія запасається шляхом утворення АТФ, сполученого з катаболічними реакціями розщеплення.
2. Потім хімічно енергія утилізується шляхом розщеплення АТФ, сполученого з ендоергическими реакціями синтезу в ході анаболізму й інших процесів, що вимагають витрат енергії, наприклад активного транспорту й скорочення м'язів.
Гідроліз АТФ - термодинамічна рушійна сила процесів, які самі по собі є термодинамічно невигідними.
АТФ і інші нуклеозидтрифосфати відповідальні за перенос енергії в багатьох сполучених реакціях. АТФ - постійне джерело енергії для клітини. ОН мобільний і може доставляти хімічну енергію в будь-яку частину клітини. Коли клітка має потребу в енергії, єдине, що буде потрібно для її одержання, - це гідроліз АТФ. АДФ може бути рефосфорильований в АТФ у результаті дихальної активності або за рахунок іншого высокоенергетичної сполуки, наприклад, креатинфосфату, присутнього в м'язових клітках. Якщо весь АДФ м'язової тканини перетворюється в АТФ, то фосфат від АТФ переноситься на креатин з утворенням креатинфосфату. При цьому знову з'являється деяка кількість АДФ, що може, приєднавши фосфат, утворити АТФ. При зниженні рівня АТФ відбувається зворотний процес: фосфат переноситься від креатинфосфату на АДФ, і запаси АТФ відновлюються.
Таким чином, АТФ грає важливу метаболічну роль завдяки своєму центральному положенню в клітинній активності. Він діє як сполучна клітинна ланка між диханням процесами, що вимагають витрати енергії. При цьому його высокоенергетичні фосфатні групи безупинно відщепляються й заміщаються новими.
Аргининфосфат і креатинфосфат виконуть роль своєрідних акумуляторів хімічної енергії, які використаються для швидкого фосфорилювання. АТФ під час енергійного м'язового скорочення. Їх називають фосфагенами.
Ацилфосфати - макроергичні сполуки з ангідридним зв'язком, у яких карбонільний атом вуглецю ацильной групи особливо легко бере участь у реакції з нуклеофилами. Значення G = -12,8 ккал/моль.
Наприклад, гліцеро-1,3-дифосфат + НОН гліцеро-3-фосфат + Н3РО4.
Тиоефіри грають дуже важливу роль у метаболізмі в якості метаболічно активної форми ацильної групи. У природі основними тиолмісткими сполуками є: кофермент А, липоєва кислота, білки з -SH групою:
ацетил-Коа + НОН ацетат + HSKo;
G = -7,37 ккал/моль.
Відновлені форми НАДН + Н+ і НАДФН + Н+, будучи синтезованими в клітині, потім знову окисляються, при цьому відбувається перенос електронів на кисень. Цей спосіб використається як основний спосіб, за допомогою якого клітка перетворює хімічну енергію ззовні живильних речовин, що надійшли, в метаболічну енергію. Структура макроергичних сполук

1. НТФ, Наприклад ГТФ:

2. 1,3-Дифосфогліцерат:

3. Фосфоенолпируват:

4. Ацилтиоефіри:

5. Восстановленні еквіваленти, Наприклад ФМН-Н 2:

6. Креатинфосфат:

Это важно.

Поиск

Реклама

Statistics

Нас смотрят

Ссылки.

Чат