АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ ПИРУВАТА

АЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ
 Аэробный обмен углеводов.
 Окислительное декарбоксилирование
пирувата.
 Цикл трикарбоновых кислот Кребса.
 Цепь дыхательных переносчиков.
 Хемиосмотическая теория Митчелла.
 Регуляция аэробного окисления глюкозы и
энергетический выход.
 Эффект Пастера.
ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОВ
Крахмал-"затравка"
а) гидролиз
Сахароза
УДФ
1) Синтез
Крахмал
(гликоген)
Транспортная
форма
б) фосфоролиз
Н2 О
Н3РО4
Созревание
УТФ (АДФ-глюкоза)
(АТФ)
2) Распад
Глюкоза
Фруктоза
УДФ-глюкоза
ФФн
Гл-1-Ф
Анаболизм
НАДФН +
СО2
Н+
Активация
Клеточные
структуры
Пентозо-5-Ф
Гл-6-Ф
Анаболизм
6) ПФШ
Рибозо - 5 - Ф
Фр-6-Ф
Фн
Анаэробные пути
3)Гликолиз,
гликогенолиз
Фр-1,6-диФ
Реакции
регенерации
4) Глюконеогенез
ГАФ
ФЕП
Спиртовое
брожение
Этанол
СО2
5)
Уксусная
кислота
(ацетат)
Уксуснокислое
брожение
7)
Ацетил-КоА
ПВК
СО2 х 2
ЦТК
Молочная кислота
(лактат)
Молочнокислое брожение
АТФ
3НАДН + Н+
О2
Q (АТФ)
ЦДФ
Н2 О
Биологическое окисление
ФАДН2
Тканевое
дыхание
(аэробный
гликолиз)
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ
ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ
Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии трех
ферментов
и
пяти
коферментов,
объединенных
структурно
в
мультиферментную систему - «пируватдегидрогеназный комплекс».
На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную
группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в
составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E1).
На II стадии оксиэтильная группа комплекса E1–ТПФ–СНОН–СН3
окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно
переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с
ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2).
Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы
на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА,
который является макроэргическим соединением.
На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из
восстановленного
комплекса
дигидролипоамид–Е2.
При
участии
фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е3) осуществляется перенос
атомов
водорода
от
восстановленных
сульфгидрильных
групп
дигидролипоамида на ФАД, который играет роль простетической группы
данного фермента и прочно с ним связан.
На V стадии восстановленный ФАДН2 дигидролипоилдегидрогеназы
передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н+.
Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит
в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного
мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из
которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E1,
липоамид-Е2 и ФАД-Е3), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА
Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса
Липоевая кислота (ЛК)
(циклическая)
S
S
O
ТПФ
НАДН + Н+
ФАД HO
O
ПВК
CH3
Е1
Е3
Е2
НАД
+
СО2
S
S
S
S
ТПФ
Н3С-СН ТПФ
ФАДН2
ОН
Липоамид
Е1
Е1
Е3
Е2
ОксиэтилТПФ
S
HS
HS
HS
ТПФ
ТПФ
ФАД
Е1
Е3
Е2
CH3
O
Дигидролипоамид
ФАД
Е2
Е1
Е3
ФАД
Е2
Е3
Ацетиллипоамид
O
SKoA
HS-KoA
H3C
ЦДФ
Н2 О
О2
ЦТК
Изопреноиды
Ацетил-КоА
Катаболизм
Анаболизм
ЖК
Терпены
Стероиды
Энергия
Резерв
Липиды
Вит.К,Е, А,КоQ Гормоны
Структуры
Регуляция
Ферменты и коферменты пируватдегидрогеназного комплекса:
1) Е1 – пируватдегидрогеназа (ТПФ)
2) Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза (ЛК)
3) Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа (ФАД)
Единый мультиферментный комплекс
1) ТПФ (В1)
2) ЛК
3) нs-КоА (В3)
4) ФАД (В2)
5) НАД (РР)
Ферменты и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому
промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с
другом. Нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.
Суммарную
реакцию,
катализируемую
пируватдегидрогеназным
комплексом, можно представить следующим образом:
Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2.
Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной
свободной энергии и практически необратима.
Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых
кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским
биохимиком Г. Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла
для полного сгорания пирувата, главным источником которого является
гликолитическое превращение углеводов.
В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот
является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические
пути. Таким образом, 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 локализован в матриксе митохондрий и состоит из восьми
последовательных реакций.
Первая реакция катализируется ферментом цитратсинтазой, при
этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в
результате чего образуется лимонная кислота:
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 дегидратироваию 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 лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная
кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы.
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота
одновременно декарбоксилируется.
НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим
ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим
АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в
ионах Mg2+или Мn2+.
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование
α-кетоглутаровой
кислоты
с
образованием
высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА.
Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного
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 сукцинил-КоА-синтетазой.
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 катализируется сукцинатдегидрогеназой,
в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.
В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней
митохондриальной мембраной:
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фумаратгидратазы
(фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется,
продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить,
что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью – в ходе реакции
образуется L-яблочная кислота:
В ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием
митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит
окисление L-малата в оксалоацетат:
Как
видно,
за
один
оборот
цикла,
состоящего
из
восьми
ферментативных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной
молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо
постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД+ и
ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова
окисляться.
Это
окисление
осуществляется
в
цепи
дыхательных
ферментов, локализованной в мембране митохондрий.
Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия
запасается в макроэргических фосфатных связях АТФ.
Три
молекулы
НАДН
переносят
на
систему
транспорта
электронов 3 пары Н. В процессе сопряженного окислительного
фосфорилирования на каждую пару Н образуется 3 молекулы АТФ (всего 9
молекул АТФ).
Одна пара Н от сукцинатдегидрогеназы-ФАДН2 попадает в систему
транспорта электронов через KoQ. Поэтому образуется только 2 молекулы
АТФ.
В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула ГТФ
(субстратное фосфорилирование), что равносильно одной молекуле АТФ.
Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и
системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12
молекул АТФ.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Ацетил-КоА
НАДН + Н+
НАД
O
+
Н3С-С~SKoA
О
O
HO
1
HO
8
O
ЩУК
(оксалоацетат)
СООН
НО СН
Малат
СООН
Фумарат
+
2
Н2 О
АТФ
АДФ
НАДН+Н+ АМФ
НАД+
СН2
Н2 О
-
Н2С-СООН
НОС-СООН Цитрат
Н2С-СООН
Н2 О
Н2С-СООН
С-СООН Цис-аконитат
НС-СООН
7
СООН
Н2 О
Н2 О
СН
2
Н2С-СООН
СН
НС-СООН Цитрат
СООН
НОС-СООН
ФАДН2
6
ФАД+
СО2 3
СООН
СООН
СН2
СН2
СН2
Сукцинат
СООН
5
НАД+
НАДН + Н+
4 СН2
О=ССН2Н2С-С~SKoA
С=О -кетоглутарат
+
ОН
НАДН
+
Н
АТФ АДФ+Ф
СООН
нСукцинил-КоА
+
НАД , HSKoA, ФАД+,
ЛК, ТПФ
Субстратное
фосфорилирование
1) Цитратсинтаза (лиаза)(аллос.)
5) Сукцинилтиокиназа (транс.)
2) Аконитаза (лиаза)
6) Сукцинатдегидрогеназа (ФАД)
3) Изоцитратдегидрогеназа (НАД)(аллос.) 7) Фумараза (лиаза)
4) -Кетоглутаратдегидрогеназный
8) Малатдегидрогеназа (НАД)
комплекс (ТПФ, ЛК, НS-КоА, ФАД, НАД –
окислительное декарбоксилирование -КК )
Биоэнергетика
Окисление – это перенос электрона ē и Н+ от субстрата (S) на
акцептор. Если акцептор - это органическое вещество, то при анаэробных
условиях происходит брожение (неполное окисление). Дыхание (полное
окисление S до СО2 и Н2О) осуществляется в аэробных условиях и
акцептором ē и Н+ служит О2.
Биологическое окисление – это совокупность окислительных
процессов, происходящих в клетке:
1. Тканевое дыхание – основной процесс потребления О2 в тканях,
сопровождающийся выделением СО2 , Н2О и энергии. Он направлен на
обеспечение организма энергией в доступной для использования форме
(АТФ).
Особенностью тканевого дыхания можно считать многократность
передачи Н+ и ē (или только ē) от одного соединения (донора) к другому
(акцептору). Это обеспечивает постепенное высвобождение энергии: без
взрыва и пламени, в водной среде, при нормальном давлении.
2. Микросомальное окисление – совокупность окислительных
процессов, протекающих в основном в ЭПР.
В
результате
реакций
гидроксилирования
ксенобиотики
приобретают гидрофильные свойства и легче выводятся из организма. Это
один из защитных механизмов от чужеродной «химии», попадающей в наш
организм.
В процессе катаболизма человеческий организм трансформирует
энергию окисленных субстратов (продукты питания) в энергию:
1. Восстановленных субстратов
2. АТФ
Макроэргические соединения – это вещества с макроэргическими связями
(~), при гидролизе которых высвобождается более 30 кДж/моль:
1. АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ
4. Сукцинил-КоА
2. Фосфоенолпируват
5. Креатинфосфат
3. 1,3 – бисфосфоглицерат
Соединения со второго по пятое могут отдавать энергию на синтез
АТФ, но практически не могут использовать ее в каких-либо процессах.
АТФ – уникальное макроэргическое соединение:
 В сутки в организме человека синтезируется до 62 кг АТФ, хотя
одновременно в организме никогда не бывает больше 30-40
граммов этого вещества. Т.е.
наблюдается очень быстрое
восстановление расходуемых молекул АТФ.
 Существует уникальный путь синтеза АТФ в митохондриях –
окислительное фосфорилирование.
 АТФ может передавать свою энергию для любых эндергонических
процессов в организме.
 Соотношение
концентраций
АТФ/АДФ
–
это
регулятор
биохимических процессов в клетке.
Пути образования АТФ из АДФ в клетке.
1. Субстратное фосфорилирование (древний путь) – источником
энергии для синтеза АТФ служат макроэргические связи субстратов.
2. Окислительное фосфорилирование (основной путь) – источником
энергии служит электрохимический потенциал на внутренней
мембране митохондрий, для поддержания которого используется
энергия восстановленных коферментов.
Палладин (1859-1922) и Тумберг показали наличие дегидрогеназ.
В 1931г. Александр Владимирович Энгельгард показал, в клетке
потребление О2 сопряжено с синтезом органического фосфата.
В 1937-1940г. Белицер и Цыбаков показали, что Рорг / О2 ≈ 3 –
дыхательный коэффициент.
Питер Митчелл (1961) высказал хемиосмотическую гипотезу.
Грин (1970-е г.) выделил основные компоненты дыхательной цепи и
назвал ее цепью переноса ē и Н+.
Эфраим Рэккер (1977) создал систему, образующую АТФ при освещении
(hυ).
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Окислительное фосфорилирование – это процесс сопряжения
тканевого дыхания и фосфорилирования АДФ. Обеспечивает этот процесс
цепь дыхательных ферментов (Ц.Д.Ф.) или переносчиков (Ц.Д.П.). Она
состоит из пиридиновых дегидрогеназ (1), флавиновых дегидрогеназ (2),
убихинона (коэнзим Q) (3), цитохромов (4), а также белков, содержащих
негемовое железо. Ц.Д.Ф. локализована на внутренней мембране
митохондрий и представляет собой последовательность реакций,
осуществляющих перенос протонов и электронов. Каждый участник цепи
переноса ē функционирует в окисленном и восстановленном виде, образуя
редокс-пару:
Редокс-пары дыхательных переносчиков
2Н+ +2ē
1. Пиридиновые дегидрогеназы
НАД+
НАД Н + Н+
окисленный
восстановленный
2Н+ +2ē
2. Флавиновых дегидрогеназ
ФАД
ФАД Н2
окисленный
восстановленный
+
2Н +2ē
3. Убихиноновые дегидрогеназы
КоQ
КоQ Н2
окисленный
убихинон
восстановленный
гидрохинон
ē
4. Цитохромы (гемовое железо)
Гем-Fe
+2
Гем-Fe+3
ферро-форма
окисленная
ферри-форма
восстановленная
ē
+2
5. Железо-серные белки (негемовое Белок-Fe
ферро-форма
железо)
Белок-Fe+3
ферри-форма
восстановленная
окисленная
6. Медьсодержащие белки
ē
Белок-Cu
+
ферро-форма
окисленное
Белок-Cu+2
ферри-форма
восстановленное
Разные редокс-пары обладают различным сродством к ē. Те, у
которых это сродство меньше, отдают электрон тем, у кого оно больше.
Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительновосстановительный или редокс-потенциал (Е0). Величина Е0
непосредственно связана с изменением свободной энергии. Ее выражают в
вольтах. Чем она меньше (отрицательнее), тем меньше сродство вещества
к электронам, тем выше способность их отдавать, тем значительнее
восстановительный потенциал и тем выше энергия ē (уравнение Нернста).
КОФЕРМЕНТНЫЕ ФОРМЫ ВИТАМИНОВ
1. Из витамина РР (никотиновая кислота или никотинамид, ниацин
антипеллагрический – от итал. preventive pellagra – предотвращающий
пеллагру) образуется НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ
(никотинамидадениндинуклеотидфосфат).
Аденин
Ангидридная связь
NH2
Витамин
РР
NH2
N
N
O
+
O
N
O
N
O
O
P
OH
OH
OH
O
P
O
Рибоза
НАД+ (НАДФ+)
S+
H
2Н+
+ Н+
+ 2еN
OH
OH
H
N
O
OH
Пирофосфат
SH2
OH P + O
OH
ФАДН2
ФАД
R
НАДН + Н+ (НАДФН + Н+)
восстановленный
окисленный
НАД – зависимые дегидрогеназы:
Алкогольдегидрогеназа (спиртовое брожение)
 Лактатдегидрогеназа (гликолиз, гликогенолиз)
 Глицероальдегидфосфатдегидрогеназа (гликолитическое
окисление)
 Изоцитратдегидрогеназа, -кетоглутаратдегидрогеназа,
малатдегидрогеназа (цикл Кребса).
 Пируват- и -кетоглутаратдегидрогеназа (окислительное
декарбоксилирование -кетокислот: ПВК и -кетоглутарата).
 Первый комплекс цепи дыхательных ферментов (окислительное
фосфорилирование).
Осуществляют извлечение энергии из субстратов путем их
биологического окисление и
сопряжения с тканевым дыханием
(катаболизм).

НАДФ – зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах:
 Пентозофосфатный шунт.
 Синтез стероидов, жирных кислот, терпенов, изопреноидов.
 Трансреаминирование (глутаматдегидрогеназа).
 Восстановление фолиевой кислоты.
Обеспечивают реакции восстановительного синтеза Н+ в качестве
восстановительного эквивалента (анаболизм).
2. ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) – это
производные витамина В2 (рибофлавин, витамин роста).
изоаллоксазин
(сочетание
бензольного,
пиразинового
и
пиримидинового колец)
аденин
O
ангидридная
связь
N
H3C
1
H3C
9
N
NH
10
H
N
NH2
O
H H
пиразиновый
цикл
OH OH OH O
P
O
рибитол
P
O
N
O
O
H 3C
N
OH
O
H
S+
N
N
OH
SH2
N
2Н+ + 2е-
H 3C
1
NH
9
10
N
N
R
H
O
O
пирофосфат
OH
OH
KoQH2
KoQ
ФАДН2 (ФМНН2) восстановленный
рибофлавин + Ф = ФМН (окисленный)
ФАД (окисленный)
ФАД – зависимые дегидрогеназы.
Первый тип реакций – прямое окисление субстрата с участием кислорода:
1) Сукцинатдегидрогеназа (цикл Кребса)
2) Ацил-КоА-дегидрогеназа (-окисление жирных кислот)
3) Оксидазы L- и D-аминокислот
4) Ксантиноксидаза (распад пуриновых азотистых оснований)
Второй тип реакций – обмен электронами и протонами с пиридиновыми
коферментами:
1) Пируват- и -кетоглутаратдегидрогеназа (окислительное
декарбоксилирование -кетокислот: ПВК и -кетоглутарата).
2) Второй комплекс цепи дыхательных ферментов (окислительное
фосфорилирование).
Окисленная форма НАД и ФАД в качестве акцептора принимает от
субстратов атомы водорода (биологическое окисление).
Восстановленная форма НАД и ФАД в качестве донора передает атомы
водорода в цепь дыхательных ферментов (тканевое дыхание).
Участвуют в окислительном расщеплении субстратов (катаболизм) и,
тем самым, обеспечивают клетки энергией.
Комплекс I – интегральный белковый комплекс. Используя энергию,
выделяющуюся при переносе электронов по дыхательной цепи, он
транспортирует 4 протона из матрикса в межмембранное пространство –
комплекс I работает как протонный генератор. Точный механизм этого
транспорта до сих пор неизвестен.
Далее комплекс I восстанавливает промежуточный переносчик KoQ
(убихинон).
 Это жирорастворимое низкомолекулярное вещество, содержащее
длинную изопреновую цепь.
 Не имеет белковой части.
 КоQ принимает водород от комплекса I.
 Образовавшийся КоQH2 отдает водород на комплекс III.
КОМПЛЕКС III
1) Цитохромы b. Строение простетической группы цитохромов
группы b, похожей на гем белка гемоглобина, представлено на рисунке.
2)FeSIII
–
железо-серный
кластер.
3) Цитохром С1 имеет в своем
составе особый гем типа «с».
От
двух
которые
атомов
водорода,
переносятся
на
комплекс III от KoQ, дальше
по
цепи
транспортируются
только
электроны,
протона
(H+)комплекс
выбрасывает
два
III
в
межмембранное пространство вместе с еще одной парой протонов, которые
подхватываются комплексом из матрикса.
Таким образом, комплекс III в сумме выбрасывает в межмембранное
пространство 4 протона. Поэтому комплекс III, как и комплекс I, является
протонным генератором, и целью его работы также является создание
+.
КОМПЛЕКС IV
Это - цитохромоксидаза. Он способен захватывать из матрикса 4
протона.
Два из них он отправляет в межмембранное пространство, а остальные
передает на образование воды.
∆
0
G0 = - n F ∆E`0, где
– изменение свободной энергии, n - число ē, F – постоянная Фарадея,
∆E`0 – разность редокс-потенциалов редокс-пар
Переносчики ē расположены в цепи так, что G постепенно уменьшается, а
редокс-потенциал, соответственно возрастает. Они сгруппированы в
четыре комплекса:
∆G
Е'0, В
G, кДж/моль
1
-0,4
перенос Н+ через внутреннюю
мембрану МХ
1
I
НАД+,
ФМН, FeS
200
е-
АДФ+Фн
0,26
1
2
АТФ
3
0
II
е-
КоQ
е-
ФАД,
СДГ, FeS
III
цит. c1,
цит. b,
FeS
0,26
2
АДФ+Фн
цит.с
100
2
е-
АТФ
IV
+ 0,4
3
0,26
4Н+
+0,8
е-
АДФ+Фн
цит.а1,
а3, Cu
3
АТФ
е-
О2
Н2О
0
Цепь дыхательных переносчиков
Уменьшение свободной энергии системы при переносе пары ē от
НАДН до Н2О составляет 52,7 ккал. Величина стандартной свободной
энергии (G0) образования АТФ из АДФ и Н3РО4 (АДФ + Н3РО4
АТФ
+ Н2О) равна 7,3 ккал. При движении ē по Ц.Д.Ф. создается разница
электрических потенциалов. Для образования макроэргической связи
необходима разница в потенциальной энергии ( Е`), равная 0,15 В.
Следовательно, в результате такого переноса ē может синтезироваться
несколько молекул АТФ. Существуют три точки сопряжения окисления и
фосфорилирования в Ц.Д.Ф. при переносе от НАДН до Н2О. При этом
может образоваться 3 АТФ. При переносе от ФАДН2 образуется 2 АТФ.
Интенсивность
тканевого дыхания регулируется отношением
АТФ/АДФ – дыхательным контролем. Чем меньше это отношение, тем
интенсивнее дыхание. Это - свойство клеток реагировать на повышение
уровня АДФ, активировать тканевое дыхание и поддерживать запасы АТФ
на необходимом уровне.
Хемиосмотическая теория Питера Митчелла
На каждом этапе передачи электрона соседнему по цепи переносчику
высвобождается свободная энергия. Однако в поврежденных митохондриях
передача ē осуществлялась, но АТФ не образовывалась. Решение этой
проблемы предложил Митчелл. Источником энергии для совершения работы
служат градиенты. Для сопряжения транспорта ē с синтезом АТФ
должен образовываться электрический (Δψ) и концентрационный (ΔрН)
градиенты (протондвижущая сила). Это - источник энергии для синтеза
АТФ. Нативная мембрана митохондрий при этом должна быть
непроницаема для протонов и содержать специальные каналы, проходя
через которые из межмембранного пространства обратно в матрикс
митохондрий, протоны отдают свою энергию для синтеза АТФ.
Межмембранное пространство
Внутренняя мембрана МХ
Сопрягающая мембрна
НАДН +Н+
Н+
НАД+
I
Н
+
II
Матрикс МХ
Разобщающие
агенты
ФАДН2
ФАД+
Н+
Н+
КоQ
Н+
III
Н+
Цит с
IV
Транслоказа
Н
+
АТФ
Н+ АДФ + Фн
Н+
АТФ
Антипорт
АДФ+Фн
Н+ Симпорт
Работа
Н
+
F1 - АТФ-синтаза
-----F0 - йонный канал
Н2О
1/2 О2
2Н+
Н+
1) рН= Н+ внутр <<
Н+ наружное
++++++
2) трансмембранный потенциал (Δ ψ)
 Н+ - электрохимический
потенциал - протондвижущая
сила
Хемиосмотический механизм синтеза АТФ в митохондриях
Тканевое дыхание (окисление) “заряжает” мембрану, а окислительное
фосфорилирование вызывает ее “разряд”, используя энергию мембранного
потенциала для синтеза АТФ. Коэффициент фосфорилирования (Р/О)
показывает эффективность окислительного фосфорилирования.
При
этом
нет
жесткого
соответствия
между
окислением
и
фосфорилированием: Р/О  3.
Разобщители
(динитрофенол, дикумарин,
тироксин,
жирные
кислоты, антибиотики и другие протонные йонофоры) оказывают
пирогенное действие, нарушая целостность митохондриальной мембраны и
выравнивая градиент рН.
Термогенин – специальный белок митохондрий клеток бурого жира у
новорожденных
способствует
формированию
протонных
каналов
во
внутренней мембране митохондрий. Энергия рассеивается в виде тепла.
АТФ не образуется. У животных процесс разобщения окисления и
фосфорилирования контролируется гормонами.
Ингибиторы блокируют движение ē по Ц.Д.П.: барбитураты – в I,
антимицин - в III, цианиды, СО, Н2S - в IV дыхательных комплексах,
соответственно.
Субстратное фосфорилироване – это образование АТФ из АДФ за
счет энергии макроэргических соединений:
АДФ
АТФ
3-фосфоглицерат (гликолиз)
1) 1,3-дифосфоглицерат
АДФ
АТФ
2) фосфоенолпируват
ГДФ
3) сукцинил-КоА
ПВК (гликолиз)
ГТФ
Янтарная кислота (цикл Кребса)
Синтез АТФ неотделим от окислительных реакций гликолиза и
цикла Кребса. Это - принципиальное отличие от механизма синтеза
АТФ из АДФ и Фн, сопряженного с транспортом электронов в Ц.Д.Ф.,
путем окислительного фосфорилирования.
Макроэргическими
называются
связями
(соединениями)
ковалентные связи, при
в
живых
гидролизе которых
системах
выделяется
значительная энергия – 30 кДж/моль (1 кал = 4,2 Дж).
Макроэргические вещества
Характерная
Группа
Общая
формула
CH2
С О~
Тип
Соединения
Енолфосфаты
Название
соединения
Фосфоенолпируват
Ацилфосфаты
1,3-дифосфоглицерат
Гуанидиний
фосфаты
Креатинфосфат
Аргининфосфат
Ацилтиоэфиры
Ацети-КоА
Сукцинил-КоА
Пирофосфаты
АТФ, АДФ
пирофосфат
R С О~P
O
R С О~ P
NH
С NH~
R С NH~ P
O
С~S
O
P О~
O-
O
R1 С~S R2
O
R P О~P
O-
Аэробное окисление органических веществ до СО2 и Н2О напоминает
горение в атмосфере кислорода с образованием большого количества тепла
(энергии). Однако происходит это в водной среде и при низкой температуре
благодаря участию ферментов и постепенному (дискретному) характеру
преобразования энергии химических связей окисляемых субстратов в
макроэргические связи АТФ: С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 648 ккал/моль
глюкозы (38 АТФ или 2780 кДж/моль)
При тяжелой работе образование АТФ идет очень интенсивно – 0.5 кг
АТФ/мин. В сутки количество потребляемой АТФ достигает веса самого
человека. Анаэробный гликолиз - это наиболее быстрый, срочный путь
получения энергии в гипоксических условиях. Помогает выжить в
неблагоприятных условиях. Аэробный гликолиз существенно эффективнее
анаэробного. К облигатным (абсолютным) анаэробам относятся в
основном микроорганизмы. Человек и животные относятся к
факультативным (относительным) анаэробам.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ВЫХОД ГЛИКОЛИЗА
Анаэробные гликолиз
(брожение)
Аэробный гликолиз
(дыхание)
Глюкоза
Глюкоза
I
2 АТФ
2 НАДН
окисление
глюкозы
2 ПВК
2 НАДН
2 АТФ (субстратное фосфорилирование)
2 ПВК
II
активация
ПВК
2 Лактат
2 НАДН
2 СО2 (окислительное декарбоксилирование)
2 Ацетил-КоА
Ц.Т.К.
III
окисление
Ацетил-КоА
4 СО2
2 ГТФ
2 АТФ
(субстратное фосфорилирование)
2х3 НАДН 2 ФАДН2
Ц.Д.Ф.
(окислительное
фосфорилирование)
2х3 АТФ
2х3 АТФ
2х3х3 АТФ
2х2 АТФ
О2
Н2О
2 АТФ
2 АТФ
38 АТФ
Энергетический выход при анаэробном гликолизе равен 2 АТФ, при
аэробном – 38 АТФ.
Рис. Глицеролфосфатный челночный механизм.
Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная)
глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет
глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:
Глицерол-3-фосфат + ФАД <=> Диоксиацетонфосфат + ФАДН2.
Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН2) вводит на уровне
KoQ электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним
окислительного фосфорилирования. Диоксиацетонфосфат выходит из
митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с
цитоплазматическим НАДН + Н+.
Таким
образом,
пара
электронов
из
одной
молекулы
+
цитоплазматического НАДН + Н , вводимая в дыхательную цепь с
помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ.
Рис.
Малат-аспартатная
челночная
восстанавливающих эквивалентов от
митохондриальный матрикс.
система
для
переноса
цитозольного НАДН в
С помощью глицеролфосфатного челночного механизма лишь в
скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных
эквивалентов от цитозольного НАДН + Н+ в митохондрии.
В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малатас-партатная челночная система. Действие такого челночного
механизма
становится
возможным
благодаря
присутствию
малатдегидрогеназы и аспартатаминотрансферазы как в
цитозоле, так и в митохондриях.
От цитозольного НАДН + Н+ восстановленные эквиваленты сначала
при участии фермента малатдегидрогеназы (рис. 10.11) переносятся на
цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с
помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты, проходит
через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат
окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД+ восстанавливается в НАДН
+ Н+, который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных
ферментов, локализованную на внутренней мембране митохондрии.
В свою очередь образовавшийся оксалоацетат в присутствии
глутамата и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования.
Образующиеся аспартат и α-кетоглутарат с помощью специальных
транспортных систем способны проходить через мембрану митохондрий.
Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что
вызывает к действию следующий цикл. В целом процесс включает
легкообратимые реакции, происходит без потребления энергии, «движущей
силой» его является постоянное восстановление НАД+ в цитозоле
глицеральдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы.
Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в
результате полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться
не 36, а 38 молекул АТФ.
В табл. 10.1 приведены реакции, в которых происходит образование
высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы, с
указанием эффективности процесса в аэробных и анаэробных условиях.
Взаимосвязь брожения и дыхания иллюстрирует эффект Пастера –
торможение молочнокислого брожения кислородом.
Дыхание тормозит брожение как более эффективный способ
выработки энергии. Высокий уровень АТФ и НАДН по механизму обратной
связи
(ретроингибироваие)
блокирует
биологическое
окисление,
продуктами которого они являются, чтобы сохранить ценные энергетические
субстраты.
Это
пример
реализации
принципов
максимальной
экономичности и саморегуляции обмена веществ.
Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение
накопления лактата в присутствии кислорода носит название
эффекта Пастера.
Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время исследований роли
брожения в производстве вина.
Эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных
тканях, где кислород тормозит анаэробный гликолиз.
Значение эффекта Пастера, т.е. перехода в присутствии кислорода от
анаэробного гликолиза (брожения) к дыханию, состоит в переключении
клетки на наиболее эффективный и экономичный путь получения энергии.
В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в
присутствии кислорода снижается.
Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-видимому,
в конкуренции между системами дыхания и брожения за АДФ,
используемый для образования АТФ. В аэробных условиях значительно
эффективнее, чем в анаэробных, происходят генерация АТФ, а также
регенерирование
НАД+,
Уменьшение
присутствии
в
окисленного
из
кислорода
восстановленного
количества
Рi
и
НАДН.
АДФ
и
соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению
анаэробного гликолиза.
«Переключателем»
активирования
брожения
на
пирувата
дыхание
путем
служит
процесс
окислительного
декарбоксилирования (7). Эту необратимую реакцию катализирует
пируватдегидрогеназный комплекс (олигомерный белок).
Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или
полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство
животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях и
свое органическое «топливо» окисляет полностью до СО2 и Н2О. В этих
условиях
пируват,
образовавшийся
при
расщеплении
глюкозы,
не
восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО2 и Н2О в
аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит
окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетилКоА.
В условиях недостаточности кислорода гликолиз - единственный
процесс, поставляющий энергию для осуществления физиологических
функций организма. В аэробных условиях гликолиз - первая стадия
окислительного превращения углеводов.
В присутствии О2 пировиноградная кислота может подвергаться
окислительному декарбоксилированию, а образующаяся уксусная кислота в
виде ацетил~КоА полностью окисляться до СО2 и воды в цикле
трикарбоновых кислот.
Интенсивный гликолиз происходит в скелетных мышцах, где он
поставляет энергию для мышечных сокращений, а также в печени, сердце,
мозге животных и человека.
В клетках осуществляется тонкая регуляция окислительного и
анаэробного обмена. Подавление гликолиза дыханием в присутствии О2
(эффект П а с т е р а) обеспечивает клетке наиболее экономный механизм
образования богатых энергией соединений.
В тканях, где такой эффект отсутствует (например, в эмбриональных и
опухолевых), гликолиз протекает очень активно.
В некоторых тканях с интенсивным гликолизом наблюдается
подавление тканевого дыхания (эффект Крабтри).
Гликолиз
-
простейшая
форма
биологического
механизма
аккумулирования энергии углеводов в АТФ. Считают, что он возник в
период, когда в атмосфере Земли не было О2.