Биологическая роль нуклеотидтрифосфатов

Биологическая роль
нуклеотидтрифосфатов
АТФ – универсальный источник энергии,
синтез Н.К., коферментов, других
макроэргов.
ГТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов, белков.
ЦТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов.
УТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе углеводов.
ТТФ – синтез Н.К..
Компоненты митохондриальной цепи
переноса электронов
Свободная энергия гидролиза
некоторых органических фосфатов
Стандартные окислительно – восстановительные
потенциалы некоторых сопряженных пар
Квантование энергии
При
сравнении
величин
электрохимических
потенциалов переносчиков электронов 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.
Изменение свободной энергии при переносе
электронов по ЦПЭ
Перенос электронов
Перенос электронов от NADH к кислороду включает ряд
переносчиков, которые локализованы во внутренней
мембране митохондрий. За исключением убихинона и
цитохрома С, это сложные белковые комплексы.
NADH-дегидрогеназа (NADH-Q-редуктаза, комплекс I)
состоит из нескольких полипептидных цепей. Роль
простетической группы играет FMN. Единственный
субстрат фермента — NADH, с которого 2 электрона и
протон переносятся на FMN с образованием FMNH2
Второй протон поглощается из матрикса. Реакция
протекает по уравнению:
NADH + Н+ + Е (FMN) → NAD+ + E (FMNH2).
Перенос электронов
С FMNH2 электроны переносятся затем на ряд железосерных белков (FeS), играющих роль второй
простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы.
Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в
несколько групп, так называемых железо-серных центров.
FeS-центры
входят
в
состав
многих
белков
(флавопротеинов,
цитохромов),
участвующих
в
окислительно-восстановительных реакциях.
NADH-дегидрогеназа содержит несколько центров типа
Fe2S2 и Fe4S4 Атомы железа в таких центрах могут
принимать и отдавать электроны поочерѐдно, переходя в
ферро- (Fe2+) и ферри- (Fe3+) состояния. От железосерных
центров электроны переносятся на кофермент Q
(убихинон).
Перенос электронов
Убихинон выполняет коллекторную функцию,
присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы
и других флавинзависимых дегидрогеназ, в
частности, от сукцинатдегидрогеназы. Убихинон
участвует в реакциях типа:
Е (FMNH2) + Q -» Е (FMN) + QH2.
Цитохромы
Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах
организмов. В клетках эукариотов они локализованы в
митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30
различных цитохромов.
Структурные особенности разных видов цитохромов
определяют
различие
в
их
окислительновосстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5
типов цитохромов (а, а3, Ь, с, с1,). За исключением
цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней
мембране митохондрий в виде сложных белковых
комплексов.
Структурные формулы рабочей части
коферментов NAD+ и NADP+
Структурные формулы рабочей части
коферментов FAD и FMN.
Строение железо – серых центров.
Структура убихинона (кофермента Q)
Структура гема цитохромов b, c, c1.
Строение гема А.
Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в
митохондриях
Сопряжение переноса электронов через дыхательный
комплекс III с транспортом Н + через мембрану
Строение и механизм действия АТФ –
синтазы.
Схема трансмембранного переноса
веществ за счет энергии градиента Н+
Цикл АТФ - АДФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
Биологическая роль
нуклеотидтрифосфатов
АТФ – универсальный источник энергии,
синтез Н.К., коферментов, других
макроэргов.
ГТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов, белков.
ЦТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов.
УТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе углеводов.
ТТФ – синтез Н.К..
АТФ
ТТФ
ГТФ
ЦТФ
УТФ
Разобщения дыхания и
фосфорилирования
Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить
протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного
пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы
АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический
потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют
разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения
количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае
скорость окисления NADH и FADH2 возрастает, возрастает и
количество поглощѐнного кислорода, но энергия выделяется в виде
теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается. Как правило,
разобщители — липофильные вещества, легко проходящие через
липидный слой мембраны. Одно из таких веществ — 2,4динитрофенол, легко переходящий из ионизированной формы в
неионизированную, присоединяя протон в межмембранном
пространстве и перенося его в матрикс.
Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства,
например дикумарол — антикоагулянт или метаболиты, которые
образуются в организме, билирубин — продукт катаболизма гема,
тироксин — гормон щитовидной железы. Все эти вещества проявляют
разобщающее действие только при их высокой концентрации.
Механизм разобщения дыхания и
фосфорилирования
Поглощение кислорода
В ЦПЭ поглощается около 90% поступающего в клетки О2 Остальная
часть О2 используется в других окислительно-восстановительных
реакциях.
Ферменты,
участвующие
в
окислительновосстановительных реакциях с использованием кислорода, делятся на
2 группы: оксидазы и оксигеназы.
Оксидазы используют молекулярный кислород только в качестве
акцептора электронов, восстанавливая его до Н2О или Н2О2.
Оксигеназы включают один (монооксигеназы) или два (диоксигеназы)
атома кислорода в образующийся продукт реакции.
Хотя эти реакции не сопровождаются синтезом АТФ, они необходимы
для многих специфических реакций в обмене аминокислот, синтезе
жѐлчных кислот и стероидов, в реакциях обезвреживания
чужеродных веществ в печени.
Полное восстановление О2 происходит в результате 4 одноэлектронных
переходов.
Супероксид, пероксид и гидроксильный радикал — активные
окислители, что представляет серьѐзную опасность для многих
структурных компонентов клетки.
Образование супероксида в ЦПЭ
Повреждающее действие свободных
радикалов на компоненты клетки
Терморегуляторная функция ЦПЭ
На синтез молекул АТФ расходуется примерно 40 - 45%
всей энергии электронов, переносимых по ЦПЭ,
приблизительно 25% тратится на работу по переносу
веществ через мембрану. Остальная часть энергии
рассеивается
в
виде
теплоты
и
используется
теплокровными животными на поддержание температуры
тела.