АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Участки сопряжения в дыхательной цепи. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи. Трансмембранный потенциал протонов как форма запасания энергии.

Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, их транспорт по ЦПЭ к кислороду сопровождается снижением свободной энергии.

При сравнении величин электрохимических потенциалов переносчиков электронов (табл. 6-3) видно, что снижение свободной энергии происходит на каждом этапе ЦПЭ, и энергия электронов выделяется порциями.

Вместе с тем в дыхательной цепи можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии (рис. 6-11). Эти этапы способны обеспечить энергией синтез АТФ, так как количество выделяющейся свободной энергии приблизительно равно энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Экспериментально было подтверждено, что процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Первый процесс - перенос электронов от восстановленных коферментов NADH и FADH2 через ЦПЭ на кислород - экзергонический. Например:

NADH + Н+ +1/2 O2 → NAD+ + H2O + 52 ккал/моль(≈220 кДж/моль). (1)

Второй процесс - фосфорилирование АДФ, или синтез АТФ, - эндергонический:

АДФ + Н3РО4+7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль) = АТФ + Н2О. (2)

Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

А. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования

Каким же образом осуществляется сопряжение этих двух процессов? Наиболее обоснованный ответ на этот вопрос даёт хемиосмотическая теория Митчелла, предложенная им в 1961 г. Основные положения были подтверждены и разработаны детально совместными усилиями многих исследователей в последующие годы.

1. Протонный градиент и электрохимический

потенциал

Перенос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ.

Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создаётся протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный - на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ - источник энергии для синтеза АТФ. Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования (рис. 6-11, 6-13).

Механизм транспорта протонов через мито-хондриальную мембрану в пунктах сопряжения недостаточно ясен. Однако установлено, что важную роль в этом процессе играет KoQ. Наиболее детально механизм переноса протонов при участии KoQ изучен на уровне комплекса III (рис. 6-14).

KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами. Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором - цитохром с. Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1 с которого электроны переносятся на цитохром с.

Рис. 6-13. Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в митохондриях. I - NADH-дегидрогеназа; II - сукцинат дегидрогеназа; III - QН2-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V - АТФ-синтаза. Энергия протонного потенциала (электрохимического потенциала ΔμН+ используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Рис. 6-14. Сопряжение переноса электронов через дыхательный комплекс III с транспортом Н+ через мембрану. Восстановленный убихинон (QH2) взаимодействует с Fе3+ гема b1 и, восстанавливая его, освобождает протон в водную фазу, превращаясь в семихинон (НQ•). Электрон от тема b1 переносится на Fe3+ тема b2. HQ• отдаёт второй электрон на FeS-центр, расположенный ближе к наружной поверхности мембраны; при этом второй протон оказывается в межмембранном пространстве; электрон передаётся на цитохром с1, а далее на цитохром с. Окисленный Q диффундирует к внутренней стороне мембраны, где получает электрон от тема b2 и протон из матрикса, превращаясь в НQ•. НQ• получает электрон от комплекса I и протон из матрикса; в мембране образуется QН2, и весь процесс повторяется сначала.

В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород. На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала. Энергия электрохимического потенциала (∆μH+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

2. Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1 (рис. 6-15).

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F0 состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Рис. 6-15. Строение и механизм действия АТФ-синтазы. А - F0 и F1 - комплексы АТФ-синтазы, В состав F0 входят полипептидные цепи, которые образуют канал, пронизывающий мембрану насквозь. По этому каналу протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства; белок F1 выступает в матрикс с внутренней стороны мембраны и содержит 9 субъединиц, 6 из которых образуют 3 пары α и β ("головка"), прикрывающие стержневую часть, которая состоит из 3 субъединиц γ, δ и ε. γ и ε подвижны и образуют стержень, вращающийся внутри неподвижной головки и связанный с комплексом F0. В активных центрах, образованных парами субъединиц α и β, происходит связывание АДФ, неорганического фосфата (Рi) и АТФ. Б - Каталитический цикл синтеза АТФ включает 3 фазы, каждая из которых проходит поочерёдно в 3 активных центрах: 1 - связывание АДФ и Н3РО4; 2 - образование фосфоангидридной связи АТФ; 3 - освобождение конечного продукта. При каждом переносе протонов через канал F0 в матрикс все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла. Энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация α- и β-субъединиц и происходит синтез АТФ.

Комплекс F1 выступает в митоховдриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (Зα, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы аир уложены попарно, образуя "головку"; между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; 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.

3.Коэффициент окислительного

фосфорилирования

Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; электроны от FAD-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. Поэтому образуются только 2 молекулы АТФ. Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величина меньше.

4.Дыхательный контроль

Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой, т.е. частота оборотов цикла АТФ и АДФ, может меняться в десятки раз.

Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но каждая молекула АТФ в клетке "живёт" меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается. Увеличение концентрации АДФ немедленно приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования.

12. β-окисление жирных кислот. Локализация и химизм этого процесса. Энергетический выход. Какова судьба ацетил-КоА, образующегося при β-окислении?

β-Окисление жирных кислот

Процесс β-окисления ВЖК складывается из следующих этапов:

активация ВЖК на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, конзима А и ионов магния с образованием активной формы ВЖК (ацил — КоА).

транспорт жирных кислот внутрь митохондрий возможен при присоединении активной формы жирной кислоты к карнитину, находящемуся на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Образуется ацил-карнитин, обладающий способностью проходить через мембрану. На внутренней поверхности комплекс распадается и карнитин возвращается на наружную поверхность мембраны.

внутримитохондриальное окисление жирных кислот состоит из последовательных ферментативных реакций. В результате одного завершенного цикла окисления происходит отщепление от жирой кислоты одной молекулы ацетил-КоА, т.е. укорочение жирнокислотной цепи на два углеродных атома. При этом в результате двух дегидрогеназных реакций восстанавливается ФАД до ФАДН2 и НАД+ до НАДН2. Таким образом завершая 1 цикл β—окисления ВЖК, в результате которого ВЖК укоротилось на 2 углеродных звена. При β-окислении выделилось 5АТФ и 12АТФ выделилось при окислении ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. Окисление ВЖК будет происходить циклически одинаково, но только до последней стадии — стадии превращения масляной кислоты (бутирил-КоА), которая имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при подсчёте суммарного энергетического эффекта окисления ВЖК, когда в результате одного цикла образуется 2 молекулы ацетил-КоА, одна из них проходила β-окисление с выделением 5АТФ, а другая нет.

Обмен жирных кислот

Высвобождающиеся при липолизе жирные кислоты поступают в кровоток и транспортируются в связанном с сывороточными альбуминами состоянии. Поступление СЖК сопровождается появлением в плазме также и глицерола. Глицерол может участвовать в глюконеогенезе или включаться в гликолитический путь с предварительным образованием глицерол-3-фосфата.

После того, как жирные кислоты поступают в клетку, они активируются путем образования кофермент А-производных:

RCOOH + HSKoA + ATФ  RCO ~КоА + АМФ +ФФН

Реакцию катализируют ферменты ацил-КоА-синтетазы. Они находятся как в цитозоле, так и в матриксе митохондрий и отличаются по специфичности к жирным кислотам с различной длиной углеводородной цепи. Жирные кислоты с длиной цепи от 2 до 4 атомов углерода могут проникать в матрикс митохондрий путем диффузии. Активация таких кислот происходит в матриксе митохондрий. Жирные кислоты с длинной цепью, которые преобладают в организме человека, активируются ацил-КоА-синтетазами, расположенными на внешней мембране митохондрий.

β-Окисление жирных кислот происходит в матриксе митохондрий, поэтому после активации эти субстраты должны транспортироваться внутрь митохондрий. Этот процесс осуществляется с помощью карнитина, который поступает с пищей или синтезируется из незаменимых аминокислот лизина и метионина.

В наружной мембране митохондрий (Рис. 20.1) находится фермент карнитинацилтрансфераза I, катализирующий реакцию с образованием ацилкарнитина. Образовавшийся ацил-карнитин проходит через межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортируется с помощью карнитинацилкарнитин-транслоказы на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрий, где фермент карнитинацилтрансфераза II катализирует перенос ацила на внутримитохондриальный КоА. После этого ацил-КоА включается в реакции β-окисления. Свободный карнитин возвращается в межмембранное пространство той же транслоказой.

Рис. 20.1. Перенос длинноцепочечных жирных кислот через мембраны митохондрий.

β-Окисление жирных кислот – специфический путь катаболизма жирных кислот, протекающий в матриксе митохондрий только в аэробных условиях и заканчивающийся образованием ацетил-КоА. Водород из реакций β-окисления поступает в ЦТД, а ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот, также поставляющем водород для ЦТД. Поэтому β-окисление жирных кислот является важнейшим метаболическим путем, обеспечивающим синтез АТФ в дыхательной цепи.

Продуктами каждого цикла β-окисления являются ФАДН2, НАДН и ацетил-КоА. Остаток кислоты, который входит в каждый последующий цикл, короче на 2 углеродных атома. В последнем цикле, когда остаётся жирная кислота из 4 атомов углерода, образуются сразу 2 молекулы ацетил-КоА. Суммарное уравнение β-окисления пальмитоил-КоА может быть представлено так:

С15Н31СО-КоА +7 ФАД+ 7 НАД++7 HSКоА 8 СН3СО-КоА+7 ФАДН2+7 (НАДН+Н+).

Энергетический выход в этом случае составляет 131 молекулу АТФ (21 АТФ образуется при окислении каждой из 7 молекул НАДН в ЦТД, 14 – при окислении каждой из 7 молекул ФАДН2 в ЦТД, синтез 96 молекул АТФ обеспечивается окислением 8 молекул ацетил-КоА в ЦТК). С учетом расхода 1 молекулы АТФ на активцию кислоты, чистый энергетический выход окисления пальмитата составляет 130 АТФ. Окисление жирных кислот – важный источник энергии в тканях с высокой активностью ЦТК и дыхательной цепи (скелетные и сердечная мышцы, почки). Эритроциты, в которых отсутствуют митохондрии, не могут окислять жирные кислоты. Эти соединения не служат источником энергии для головного мозга, так как жирные кислоты не проходят через гематоэнцефалический барьер.

Регуляция скорости β-окисления. Скорость процесса регулируется потребностью клетки в энергии (соотношениями АТФ/АДФ, НАДН/НАД+). Скорость β-окисления зависит и от доступности субстрата, т.е. от количества жирных кислот, поступающих в митохондрии. Концентрация СЖК в крови повышается при активации липолиза. В этих условиях жирные кислоты становятся преимущественным источником энергии для мышц и печени, так как в результате β-окисления образуются НАДН и ацетил-КоА, ингибирующие пируватдегидрогеназный комплекс. Таким образом, использование жирных кислот как основного источника энергии в мышечной ткани и печени сберегает глюкозу для нервной ткани и эритроцитов.

Скорость β-окисления зависит также от активности карнитинацилтрансферазы I. В печени этот фермент ингибируется малонил-КоА, образующимся при биосинтезе жирных кислот. То есть малонил-КоА ингибирует деградацию жирных кислот, чем способствует их использованию для синтеза жира.

Другие типы окисления жирных кислот. β-Окисление является основным путем катаболизма жирных кислот, но помимо него встречаются α-окисление и ω–окисление. α-Окисление представляет собой последовательное отщепление одноуглеродных фрагментов, выделяющихся в виде СО2 от карбоксильного конца молекулы. Такому типу окисления подвергаются жирные кислоты с цепью более 20 углеродных атомов (характерны для липидов нервной ткани), а также жирные кислоты с разветвленной углеродной цепью (поступают с пищей). ω–Окисление жирных кислот в норме весьма незначительно, происходит оно в микросомах печени. Первоначальная стадия катализируется монооксигеназой, которая тебует наличия НАДФН, О2 и цитохрома Р-450. Группа -СН3 при этом превращается в -СН2ОН, затем окисляется до –СООН. Образовавшаяся дикарбоновая кислота может быть укорочена с любого конца путем реакций β-окисления.

Окисление ненасыщенных жирных кислот идет обычным путем, до тех пор, пока двойная связь не окажется между третьим и четвертым атомами углерода. После этого фермент еноил-КоА-изомераза перемещает двойную связь из положения 3-4 в положение 2-3 и изменяет цис-конформацию двойной связи на транс-, которая требуется для β-окисления. В этом цикле β-окисления первая реакция дегидрирования не происходит, так как двойная связь в радикале жирной кислоты уже имеется. Далее циклы β-окисления продолжаются, не отличаясь от обычного пути.

Жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов на конечном этапе β-окисления образуют ацетил-КоА и пропионил-КоА. Трехуглеродный фрагмент в ходе трех реакций превращается в сукцинил-КоА – метаболит ЦТК.

Ацетил-КоА, образующийся при β-окислении жирных кислот, расщеплении кетогенных аминокислот и окислительном декарбоксилировании пирувата служит исходным субстратом для ряда важнейших метаболических путей: 1) окисление в ЦТК, 2) образование кетоновых тел, 3) биосинтез холестерола, 4) биосинтез жирных кислот.

13. Взаимосвязь между β-окислением жирных кислот и циклом Кребса. Химизм и локализация процесса β-окислением жирных кислот.

Процессы анаэробного брожения служили главным источником энергии для всего живого в те времена, когда в атмосфере Земли еще не было кислорода. Его появление открыло принципиально новые возможности получения энергии. Кислород – хороший окислитель, а при окислении органических веществ выделяется в десятки раз больше энергии, чем в ходе брожения. Так, в ходе реакции окисления глюкозы C6H12O6 + 6О2 → 6Н2О + 6CО2 выделяется энергии 686 ккал на моль, тогда как при реакции молочнокислого брожения только 47 ккал на моль.

Естественно, клетки стали использовать открывшиеся возможности. Синтез АТФ в аэробных условиях значительно эффективнее анаэробных синтезов: если при утилизации 1 молекулы глюкозы в процессах брожения образуется 2 молекулы АТФ, то в ходе окислительного фосфорилирования – около 30 (по старым данным – 38). Подробнее мы поговорим об энергетическом балансе на уроке 12.

Окислительным превращениям подвергаются различные органические вещества – промежуточные метаболиты обмена аминокислот, сахаров, жирных кислот и др. Было бы нелогично создавать для каждого из них свой собственный метаболический путь. Гораздо удобнее сначала окислять все эти вещества одним, унифицированным окислителем, а затем уже окислять образовавшуюся восстановленную форму такого «универсального окислителя» кислородом. В качестве этого универсального окислительно-восстановительного промежуточного соединения в клетке используется никотинамидадениндинуклеотид – НАД; мы уже говорили об этом соединении на уроке 10. Как указывалось в 10-м уроке, это вещество может существовать в двух формах: окисленной НАД+ и восстановленной НАД∙Н. Для превращения первой формы во вторую необходимо поступление двух электронов и одного иона Н+.

Система играет роль окислительно-восстановительного челнока, переносящего электроны от различных органических веществ к кислороду: на первой стадии НАД+ отнимает электроны у органических веществ, окисляя их в конце концов до CО2 и Н2О (разумеется, не в одну стадию, а через многочисленные промежуточные соединения); на второй стадии кислород окисляет НАД∙Н, образовавшийся в ходе первой стадии, и возвращает его вновь в окисленное состояние.

.

.

.

.

.

.

Рис. 1. Общая схема окислительного метаболизма клетки

Итак, в самом общем виде совокупность реакций распада различных веществ в аэробных условиях (то есть в присутствии кислорода) можно представить так:

1) органические соединения +

2)

Реакции первого этапа идут или в цитоплазме, или в митохондриях, тогда как реакции второго этапа – только в митохондриях. На этом уроке мы рассмотрим лишь реакции первой группы, реакции второй группы будут изучаться на 12-м уроке.

В клетке имеется еще один кофермент – ФАД (флавинадениндинуклеотид) – который тоже служит окислительно-восстановительным челноком, но используется в меньшем числе реакций, чем НАД; он синтезируется из витамина В2 – рибофлавина.

.

.

.

.

.

.

.

.

Рис. 2. Структура окисленной и восстановленной формы ФАД

Давайте рассмотрим конкретные метаболические пути – окислительные превращения глюкозы и жирных кислот. Аэробный гликолиз начинается с тех же реакций, что и уже рассмотренный нами анаэробный гликолиз (см. урок 10). Однако конечные стадии процесса будут протекать по-другому. При проведения анаэробного гликолиза перед клеткой стояла проблема: куда девать восстановленный НАД∙Н, образующийся в ходе глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции? Если его не окислять обратно в НАД+, то процесс быстро остановится, поэтому в анаэробном гликолизе последняя реакция – лактатдегидрогеназная – как раз и служила для возвращения этого кофермента в исходную форму. В аэробных условиях такой проблемы нет. Наоборот, в кислородном метаболизме НАД∙Н служит ценнейшим источником энергии – специальная система переносчиков доставляет его из цитозоля в митохондрии, где он окисляется, и за счет этой энергии синтезируется АТФ.

Когда гликолиз протекает в аэробных условиях, пировиноградная кислота не будет восстанавливаться, а будет транспортироваться в митохондрию и окисляться. Сначала она превратится в остаток уксусной кислоты, ацетил, ковалентно присоединенный к особому коферменту – так называемому коэнзиму А.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

Рис. 3. Пируватдегидрогеназная реакция. В сложном комплексе, состоящем из многих субъединиц, можно выделить несколько функциональных участков: часть А отвечает за декарбоксилирование пировиноградной кислоты, часть В за окисление двухуглеродного остатка пирувата и его присоединение к коэнзиму А, часть С за восстановление НАД+ до НАД∙Н

Эту необратимую реакцию проводит митохондриальный фермент пируватдегидрогеназа, который окисляет пировиноградную кислоту до ацетил-коэнзима А с освобождением углекислоты. Этот фермент содержит несколько коферментов, необходимых для его работы: тиаминпирофосфат (образуется из витамина В1 – тиамина), липоевую кислоту (она иногда применяется в качестве укрепляющей здоровье пищевой добавки) и ФАД (про него мы уже писали выше). Это очень сложный белок, состоящий из многих субъединиц, его молекулярная масса составляет несколько миллионов дальтон.

Коэнзим А, к которому присоединяется ацетильный остаток, синтезируется из пантотеновой кислоты, также являющейся витамином (витамин В5). Ацетил-коэнзим А является макроэргом, столь же богатым энергией, сколь и АТФ (см. урок 9).

.

.

.

.

.

.

Рис. 4. Структура ацетил-коэнзима А

Пируватдегидрогеназа играет важную роль в регуляции аэробного катаболизма глюкозы. Этот фермент ингибируется НАД∙Н и ацетил-КоА – своими конечными продуктами - по принципу отрицательной обратной связи. Регуляция осуществляется с помощью сложного механизма, включающего и аллостерию, и ковалентную модификацию этого белка. Данный фермент также ингибируется жирными кислотами. Жирные кислоты – более калорийный источник энергии, и кроме того, они менее ценны для проведения синтетических процессов в клетке, поэтому при наличии и глюкозы (ведь пируват образуется из нее), и жирных кислот целесообразно сперва окислять жирные кислоты.

Затем ацетил-коэнзим А будет окисляться до CО2 и Н2О в ходе процесса, называемого циклом Кребса (в честь Г. Кребса, впервые описавшего его в 1937 г.).

Модель 1. Цикл Кребса

Основная роль цикла Кребса в энергетическом обмене клетки состоит в получении восстановленных коферментов НАД∙Н и ФАД∙Н2, которые затем будут окисляться кислородом для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (этот процесс мы рассмотрим на уроке 12). Восстановление коферментов достигается за счет полного окисления остатка уксусной кислоты до CО2 и Н2О.

Цикл начинается с переноса остатка уксусной кислоты из ацетил-КоА к щавелевоуксусной кислоте (в нейтральной среде это ион оксалоацетата), в результате чего образуется лимонная кислота (точнее, цитрат-ион), а коэнзим А освобождается. Эта реакция катализируется ферментом цитратсинтазой, она необратима.

..

.

.

.

.

.

.

.

Лимонная кислота затем в две стадии переходит в изолимонную (ее анион называется изоцитрат), обе стадии ускоряет один фермент – аконитаза.

.

.

.

.

.

.

Участвующие на этом этапе органические кислоты имеют три карбоксильные группы, иногда и весь цикл называют «циклом трикарбоновых кислот», но это название неудачное – уже на следующей стадии одна карбоксильная группа теряется. Поэтому часто цикл называют «циклом трикарбоновых и дикарбоновых кислот».

.

.

.

.

.

.

.

Эту важнейшую реакцию катализирует фермент изоцитратдегидрогеназа. Изолимонная кислота при этом окисляется до α-кетоглютаровой кислоты, теряя СО2, а НАД+ восстанавливается до НАД∙Н (именно он является окислителем в этой реакции). В физиологических условиях реакцию можно считать необратимой.

α-кетоглютаровая кислота уже на следующей стадии подвергается дальнейшему окислению. Химически это кислота похожа на пировиноградную – обе являются α-кетокислотами – и окисление их протекает похоже.

.

.

.

.

.

.

.

В обоих случаях выделяется углекислота, окислитель НАД+ восстанавливается до НАД∙Н, а укороченный остаток кислоты в ходе реакции присоединяется к коэнзиму А. Только пировиноградная кислота давала двухуглеродный остаток (ацетил-КоА), а вот α-кетоглютаровая дает четырехуглеродный – сукцинил-коэнзим А. α-кетоглютаратдегидрогеназная реакция так же необратима, как и пируватдегидрогеназная, а катализирующий ее фермент содержит те же коферменты.

Продукт реакции сукцинил-коэнзим А, столь же богат энергией, как и ацетил-коэнзим А. Было бы глупо рассеивать эту энергию в тепло, и клетка не допускает такого расточительства. Сукцинил-КоА не просто гидролизуется до янтарной кислоты (точнее, сукцинат-иона) и коэнзима А, в ходе этой реакции происходит синтез ГТФ из ГДФ и фосфата, а ГТФ так же макроэргичен, как АТФ.

.

.

.

.

.

.

.

Янтарная кислота подвергается дальнейшему окислению. Однако ее окислителем служит не привычный нам НАД+, а другой кофермент – ФАД. Природа использовала именно этот кофермент вовсе не для того, чтобы отравить жизнь студентам и школьникам, изучающим цикл Кребса. Дело в том, что в янтарной кислоте окислению подвергается весьма инертная группа –СН2–СН2–. Вспомните курс органической химии – алканы в общем-то малореакционноспособны по сравнению со спиртами и альдегидами, окислить их гораздо труднее. Вот и здесь клетка вынуждена использовать более сильный флавиновый окислитель, а не обычный никотинамидный. Янтарная кислота при этом превращается в фумаровую, реакцию ускоряет фермент сукцинатдегидрогеназа.

Фумаровая кислота, присоединяя воду, превращается в яблочную (точнее, в малат-ион).

Последней реакцией цикла является окисление яблочной кислоты до щавелевоуксусной, окислителем служит хорошо знакомый нам НАД+, катализирует реакцию фермент малатдегидрогеназа.

Цикл замкнулся. В итоге за 1 оборот цикла происходит окисление 1 остатка уксусной кислоты следующим образом:CH3–CO-S–KoA + 3НАД+ + ФАД + ГДФ + Ф + 2Н2О = 2СО2 + HS–КоА + 3НАД∙Н + ФАД∙Н2 + ГТФ + 2Н+.

Образовавшиеся НАД∙Н и ФАД∙Н2 затем окисляются в митохондриях, обеспечивая энергией синтез АТФ. В цикле Кребса образуется также 1 молекула ГТФ, богатого энергией соединения, способного передать фосфатный остаток на АДФ и образовать АТФ. Молекула щавелевоуксусной кислоты выходит из цикла без всяких изменений – она служит как бы катализатором окисления ацетил-коэнзима А, а сама возвращается в исходное состояние в конце каждого оборота цикла. Ферменты цикла Кребса расположены в матриксе митохондрий (кроме сукцинатдегидрогеназы, она находится на внутренней митохондриальной мембране).

В цикле Кребса подвергаются регуляции сразу несколько ферментов. Изоцитратдегидрогеназа ингибируется НАД∙Н – конечным продуктом цикла, и активируется АДФ – веществом, образующимся при энергетических затратах. Важную роль в регуляции цикла играет также обратимость малатдегидрогеназной реакции. При высоких концентрациях НАД∙Н эта реакция протекает справа налево, в сторону образования малата. В результате концентрация оксалоацетата падает, и скорость цитратсинтазной реакции снижается. Образовавшийся малат может использоваться в других метаболических процессах. Цитратсинтаза еще и аллостерически ингибируется АТФ. Регулируется и активность α-кетоглютаратдегидрогеназы.

Цикл Кребса участвует в окислительных превращениях не только глюкозы, но также жирных кислот и аминокислот. После проникновения через наружную мембрану жирные кислоты сперва активируются в цитоплазме путем присоединения коэнзима А, при этом затрачиваются две макроэргические связи АТФ:R–COOH + HS–KoA + АТФ = R–CO–S–KoA + АМФ + Ф–Ф.

Пирофосфат тут же расщепляется ферментом пирофосфатазой, смещая равновесие реакции вправо.

Ацил-коэнзим А затем переносится в митохондрию.

В этих органеллах действует ферментативная система так называемого β-окисления жирных кислот. Процесс β-окисления протекает поэтапно. На каждом этапе от жирной кислоты отщепляется двухуглеродный фрагмент в виде ацетил-коэнзима А, а также происходит восстановление НАД+ до НАД∙Н и ФАД до ФАД∙Н2.

Рис. 5. β-окисление жирных кислот

В ходе первой реакции происходит окисление группы –СН2-СН2–, расположенной около карбонильного атома углерода. Как и при окислении сукцината в цикле Кребса, окислителем служит ФАД. Затем (вторая реакция) происходит гидратация двойной связи образовавшегося непредельного соединения, при этом третий атом углерода становится гидроксилированным – образуется β-оксикислота, присоединенная к коэнзиму А. В ходе третьей реакции происходит окисление этой спиртовой группы до кетогруппы, в качестве окислителя используется НАД+. Наконец, с образовавшимся β-кетоацил-коэнзимом А реагирует другая молекула коэнзима А. В результате отщепляется ацетил-коэнзим А, и ацил-КоА укорачивается на два углеродных атома. Теперь циклический процесс будет протекать по второму заходу, остаток жирной кислоты укоротится еще на один ацетил-КоА, и так до полного расщепления жирной кислоты. Из четырех реакций β-окисления только первая является необратимой, остальные – обратимы, их прохождение слева направо обеспечивается постоянным выводом конечных продуктов.

Суммарно β-окисление пальмитоил-коэнзима А протекает согласно уравнению:C15H31CO-КоА + 7НАД+ + 7ФАД + 7КоА + 7Н2О = 8ацетил-КоА + 7НАД∙Н + 7ФАД∙Н2 + 7Н+

Ацетил-КоА затем поступает в цикл Кребса. НАД∙Н и ФАД∙Н2 окисляются в митохондриях, обеспечивая энергией синтез АТФ.

Катаболизм аминокислот протекает также через цикл Кребса. Различные аминокислоты поступает в цикл различными метаболическими путями, их рассмотрение слишком сложно для данного курса.

Цикл Кребса используется клеткой не только для энергетических нужд, но и для синтеза целого ряда необходимых ей веществ. Он является центральным метаболическим путем и в катаболических, и в анаболических процессах клетки.

Сам Ганс Кребс сперва теоретически предположил, что превращения ди- и трикарбоновых кислот протекают циклически, а затем проделал серию опытов, в которых показал взаимопревращения этих кислот и их способность стимулировать аэробный гликолиз. Однако решительные доказательства протекания этого метаболического пути именно так, а не иначе, были получены с помощью экспериментов с изотопной меткой.

Представьте себе, что вы в определенном промежуточном метаболите цикла Кребса заменили обычный природный изотоп на радиоактивный. Теперь это вещество как бы несет на себе радиоактивную метку, и это позволяет отследить его дальнейшую судьбу. Такое меченое соединение можно добавить к клеточному экстракту и через некоторое время посмотреть, во что оно превратится. Для этого можно отделить небольшие молекулы от макромолекул (например, осаждением последних) и разделить их смесь хроматографическим методом (см. урок 8). Затем останется только определить, в каких веществах содержится радиоактивность. Например, если вы добавите к экстракту радиоактивно меченую лимонную кислоту, то очень скоро метка обнаружится в цис-аконитовой и изолимонной кислоте, а еще через некоторое время – в α-кетоглютаровой. Если же добавить меченую α-кетоглютаровую кислоту, то метка раньше всего перейдет в сукцинил-коэнзим А и янтарную кислоту, потом – в фумаровую. Таким образом, добавляя различные радиоактивно меченые вещества и определяя, куда перешла радиоактивная метка, можно выяснить последовательность реакций на любом этапе метаболическом пути.

Определять радиоактивность можно различными путями. Самый простой способ – по засвечиванию фотографической эмульсии, ведь сама радиоактивность была открыта А. Беккерелем именно благодаря способности радиоактивного излучения засвечивать фотопластинку. Например, если мы разделили смесь веществ тонкослойной хроматографией и знаем, где расположено пятно того или иного вещества, то можно просто приложить к нашей хроматограмме фотопластинку. Тогда участок фотопластинки, соприкасавшийся с пятном, содержащим радиоактивность, окажется засвеченным. Остается только посмотреть, около пятен каких веществ фотоэмульсия засветилась, и сразу же можно сказать, что именно в эти вещества перешла радиоактивная метка.

Этот метод называется радиоавтографией. С его помощью можно изучать не только малые молекулы, но и крупные – например, добавив к живой клетке радиоактивно меченый уридин. Как мы уже говорили на 7-м уроке, уридиновые нуклеотиды входят в состав РНК, так что вскоре эта макромолекула будет радиоактивно помечена. Теперь можно отслеживать местонахождение и транспортировку РНК в клетке. Для этого нужно зафиксировать клетки, чтобы макромолекулы выпали в осадок и не уплыли при дальнейших процедурах, залить их фотоэмульсией и через некоторое время посмотреть в микроскоп, где появились засвеченные участки.

Радиоавтография позволяет непосредственно наблюдать за судьбой молекул в клетке. Однако у метода есть и недостаток – он дает лишь качественную характеристику наличия радиоактивной метки и не позволяет измерить ее количественно. Для точных количественных измерений используется другой способ. β-частицы, вылетающие из радиоактивных изотопов, вызывают свечение особых веществ – сцинтилляторов. Интенсивность этого свечения можно точно измерить с помощью специального прибора – сцинтилляционного счетчика. Точно измерив свечение, мы можем точно определить и количество радиоактивного изотопа. Однако использование сцинтилляционного счетчика позволяет измерить лишь общее количество радиоактивного изотопа в пробе. Если мы зальем раствором сцинтиллятора клеточную суспензию, то сможем определить суммарное количество радиоактивного соединения, но не его распределение по органеллам. Для этого нам придется выделять отдельные клеточные органеллы и измерять радиоактивность в них.

Обычно в биохимических исследованиях применяют такие изотопы как тритий 3Н, углерод 14С, фосфор 32Р и серу 35S.

Краткое содержание урока

В аэробных условиях промежуточные метаболиты окисляются специальными окислительно-восстановительными челноками: НАД и ФАД. Их восстановленные формы окисляются в митохондриях, а выделяющаяся энергия используется для синтеза АТФ. В ходе аэробного гликолиза пировиноградная кислота переходит в митохондрию и окисляется до ацетил-коэнзима А. Это соединение подвергается полному окислению до углекислого газа и воды в цикле Кребса. Жирные кислоты в процессе β-окисления также окисляются до ацетил-коэнзима А.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 3847 | Нарушение авторских прав