Wiodąca rola energii na szlaku metabolicznym zależy od procesu, którego istotą jest fosforylacja oksydacyjna. Składniki odżywcze są utleniane, tworząc energię, którą organizm magazynuje w mitochondriach komórek jako ATP. Każda forma ziemskiego życia ma swoje ulubione składniki odżywcze, ale ATP jest związkiem uniwersalnym, a energia wytwarzana przez fosforylację oksydacyjną jest magazynowana w celu wykorzystania jej w procesach metabolicznych.

Bakteria

Ponad trzy i pół miliarda lat temu na naszej planecie pojawiły się pierwsze żywe organizmy. Życie powstało na Ziemi dzięki temu, że powstające bakterie - organizmy prokariotyczne (bez jądra) podzielono na dwa typy zgodnie z zasadą oddychania i odżywiania. Poprzez oddychanie - do tlenowych i beztlenowych, oraz przez odżywianie - do heterotroficznych i autotroficznych prokariontów. To przypomnienie raczej nie będzie zbyteczne, ponieważ fosforylacji oksydacyjnej nie da się wyjaśnić bez podstawowych pojęć.

Tak więc prokarionty w odniesieniu do tlenu (klasyfikacja fizjologiczna) dzielą się na mikroorganizmy tlenowe, które są obojętne na wolny tlen i tlenowe, których aktywność życiowa zależy całkowicie od jego obecności. To oni przeprowadzają fosforylację oksydacyjną, będąc w środowisku nasyconym wolnym tlenem. Jest to najbardziej rozpowszechniony szlak metaboliczny o wysokiej wydajności energetycznej w porównaniu z fermentacją beztlenową.

Mitochondria

Inna podstawowa koncepcja: jest to bateria energetyczna komórki. Mitochondria znajdują się w cytoplazmie i jest ich niesamowita ilość - na przykład w mięśniach człowieka lub w jego wątrobie komórki zawierają do półtora tysiąca mitochondriów (tam, gdzie zachodzi najbardziej intensywny metabolizm). A gdy fosforylacja oksydacyjna zachodzi w „ręce” mitochondriów, one również magazynują i dystrybuują energię.

Mitochondria nie zależą nawet od podziału komórek, są bardzo mobilne, poruszają się swobodnie w cytoplazmie, kiedy tego potrzebują. Mają swoje własne DNA, dlatego też sami się rodzą i umierają. Niemniej jednak życie komórki całkowicie i całkowicie od nich zależy, bez mitochondriów nie funkcjonuje, czyli życie jest naprawdę niemożliwe. Tłuszcze, węglowodany, białka ulegają utlenieniu, w wyniku czego powstają atomy i elektrony równoważników wodoru - redukcji, które podążają dalej wzdłuż łańcucha oddechowego. Tak zachodzi fosforylacja oksydacyjna, jej mechanizm wydaje się prosty.

Nie tak łatwo

Energia produkowana przez mitochondria jest zamieniana na inną, która jest energią gradientu elektrochemicznego, zwłaszcza dla protonów znajdujących się na wewnętrznej błonie mitochondriów. To właśnie ta energia jest potrzebna do syntezy ATP. I tym właśnie jest fosforylacja oksydacyjna. Biochemia to dość młoda nauka, dopiero w połowie XIX wieku znaleziono w komórkach granulki mitochondrialne, a proces pozyskiwania energii opisano znacznie później. Prześledzono, w jaki sposób triozy utworzone przez glikolizę (i, co najważniejsze, kwas pirogronowy) powodują dalsze utlenianie w mitochondriach.

Triozy wykorzystują energię rozszczepienia, z której uwalniany jest CO2, zużywany jest tlen i syntetyzowana jest ogromna ilość ATP (kwas adenozynotrójfosforowy, a co to jest - szczególnie dobrze wiedzą osoby, które lubią kulturystykę). Wszystkie powyższe procesy są ściśle związane z cyklami oksydacyjnymi, a także z łańcuchem oddechowym, który przenosi elektrony. Tak więc fosforylacja oksydacyjna zachodzi w komórkach, syntetyzując dla nich „paliwo” - cząsteczki ATP.

Cykle utleniania i łańcuch oddechowy

W cyklu oksydacyjnym kwasy trikarboksylowe uwalniają elektrony, które rozpoczynają swoją wędrówkę wzdłuż łańcucha transportu elektronów: najpierw do cząsteczek koenzymów, tutaj najważniejszy jest NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), a następnie elektrony są przenoszone do ETC (łańcuch elektrotransportu ), dopóki nie połączą się z tlenem cząsteczkowym i nie utworzą cząsteczki wody. Fosforylacja oksydacyjna, której mechanizm opisano pokrótce powyżej, przenosi się w inne miejsce działania. Są to kompleksy białkowe wbudowane w wewnętrzną błonę mitochondrialną.

To tutaj następuje kulminacja – przemiana energii poprzez sekwencję utleniania i redukcji pierwiastków. Istnieją trzy główne punkty zainteresowania w łańcuchu elektrotransportu, w którym zachodzi fosforylacja oksydacyjna. Biochemia bardzo dogłębnie i dokładnie bada ten proces. Być może stąd kiedyś narodzi się nowy lek na starzenie się. Tak więc w trzech punktach tego łańcucha ATP powstaje z fosforanu i ADP (difosforan adenozyny - który składa się z rybozy, adeniny i dwóch porcji kwasu fosforowego). Dlatego proces ma swoją nazwę.

Oddychania komórkowego

Oddychanie komórkowe (inaczej tkankowe) i fosforylacja oksydacyjna są łącznie etapami tego samego procesu. Powietrze jest wykorzystywane w każdej komórce tkanek i narządów, gdzie produkty rozpadu (tłuszcze, węglowodany, białka) są rozkładane, a podczas tej reakcji wytwarzana jest energia, magazynowana w postaci...

Ciało jest zawsze aktywne, jego energia jest wydatkowana na ruch i wzrost, na samoreprodukcję, drażliwość i wiele innych procesów. Właśnie do tego dochodzi w mitochondriach fosforylacja oksydacyjna. można podzielić na trzy poziomy: oksydacyjne tworzenie ATP z kwasu pirogronowego, a także aminokwasów i kwasów tłuszczowych; reszty acetylowe są niszczone przez kwasy trikarboksylowe, po czym uwalniane są dwie cząsteczki dwutlenku węgla i cztery pary atomów wodoru; elektrony i protony są przenoszone na tlen cząsteczkowy.

Dodatkowe mechanizmy

Oddychanie na poziomie komórkowym zapewnia tworzenie i uzupełnianie ADP bezpośrednio w komórkach. Chociaż ciało można uzupełnić w inny sposób. W tym celu istnieją dodatkowe mechanizmy i, jeśli to konieczne, są włączone, chociaż nie są tak skuteczne.

Są to układy, w których zachodzi beztlenowy rozkład węglowodanów – glikogenoliza i glikoliza. Nie jest to już fosforylacja oksydacyjna, reakcje są nieco inne. Ale oddychanie komórkowe nie może się zatrzymać, ponieważ w jego procesie powstają bardzo potrzebne cząsteczki najważniejszych związków, które są wykorzystywane do różnych biosyntez.

Formy energetyczne

Gdy elektrony są przenoszone w błonie mitochondrialnej, gdzie zachodzi fosforylacja oksydacyjna, łańcuch oddechowy z każdego z jego kompleksów kieruje uwolnioną energię, aby przenieść protony przez błonę, czyli z matrycy do przestrzeni między błonami. Wtedy powstaje potencjalna różnica. Protony są naładowane dodatnio i znajdują się w przestrzeni międzybłonowej, natomiast ujemnie naładowane działają z macierzy mitochondrialnej.

Po osiągnięciu pewnej różnicy potencjałów kompleks białkowy zwraca protony z powrotem do matrycy, zamieniając otrzymaną energię w zupełnie inną, gdzie procesy oksydacyjne są sprzężone z syntezą - fosforylacją ADP. Przez cały czas utleniania substanów i pompowania protonów przez błonę mitochondrialną nie zatrzymuje się synteza ATP, czyli fosforylacja oksydacyjna.

Dwa rodzaje

Fosforylacja oksydacyjna i substratowa różnią się zasadniczo od siebie. Według współczesnych wyobrażeń, najstarsze formy życia potrafiły wykorzystywać jedynie reakcje fosforylacji substratów. W tym celu związki organiczne występujące w środowisku zewnętrznym zostały wykorzystane dwoma kanałami – jako źródło energii oraz jako źródło węgla. Jednak takie związki w środowisku stopniowo wysychały, a organizmy, które już się pojawiły, zaczęły się adaptować, szukać nowych źródeł energii i nowych źródeł węgla.

Nauczyli się więc wykorzystywać energię światła i dwutlenku węgla. Ale dopóki tak się nie stało, organizmy uwalniały energię z procesów oksydacyjnych fermentacji, a także magazynowały ją w cząsteczkach ATP. Nazywa się to fosforylacją substratu, gdy stosuje się metodę katalizowania za pomocą rozpuszczalnych enzymów. Fermentowalny substrat tworzy środek redukujący, który przenosi elektrony do pożądanego endogennego akceptora - acetonu, acetalhydu, pirogronianu i tym podobnych, lub uwalnia się gazowy wodór H2.

Charakterystyka porównawcza

W porównaniu z fermentacją fosforylacja oksydacyjna ma znacznie wyższą wydajność energetyczną. Glikoliza daje całkowitą wydajność ATP w dwóch cząsteczkach, aw trakcie procesu jest syntetyzowany od trzydziestu do trzydziestu sześciu. Istnieje ruch elektronów do związków akceptorowych ze związków donorowych za pomocą reakcji utleniania i redukcji, które tworzą energię zmagazynowaną jako ATP.

Eukarionty przeprowadzają te reakcje z kompleksami białek zlokalizowanymi wewnątrz błony mitochondrialnej komórki, a prokarionty działają na zewnątrz - w jej przestrzeni międzybłonowej. To właśnie ten kompleks związanych białek tworzy ETC (łańcuch transportu elektronów). Eukarionty mają w swoim składzie tylko pięć kompleksów białkowych, podczas gdy prokarionty mają ich wiele i wszystkie pracują z różnymi donorami elektronów i ich akceptorami.

Koledzy i rozłącza

Proces utleniania wytwarza potencjał elektrochemiczny, a wraz z procesem fosforylacji ten potencjał jest wykorzystywany. Oznacza to, że zapewniona jest koniugacja, w przeciwnym razie - wiązanie procesów fosforylacji i utleniania. Stąd nazwa - fosforylacja oksydacyjna. Potencjał elektrochemiczny niezbędny do koniugacji tworzą trzy kompleksy łańcucha oddechowego - pierwszy, trzeci i czwarty, które nazywane są punktami koniugacji.

Jeśli błona wewnętrzna mitochondrium zostanie uszkodzona lub jej przepuszczalność wzrośnie na skutek działania elementów rozprzęgających, z pewnością spowoduje to zanik lub spadek potencjału elektrochemicznego, a następnie rozdzielenie procesów fosforylacji i utleniania, czyli ustanie Synteza ATP. To właśnie zjawisko zanikania potencjału elektrochemicznego nazywane jest rozprzęganiem fosforylacji i oddychania.

Odłączniki

Stan, w którym utlenianie substratów trwa, ale fosforylacja nie występuje (tzn. ATP nie powstaje z P i ADP), to rozłączenie fosforylacji i utleniania. Dzieje się tak, gdy rozłączniki zakłócają proces. Czym są i do jakich rezultatów dążą? Załóżmy, że synteza ATP jest znacznie zmniejszona, to znaczy jest syntetyzowana w mniejszej ilości, a łańcuch oddechowy działa w tym samym czasie. Co dzieje się z energią? Wyróżnia się ciepłem. Każdy odczuwa to podczas choroby z gorączką.

Zmierzyć temperaturę? Oznacza to, że rozprzęgacze zadziałały. Na przykład antybiotyki. Są to słabe kwasy, które rozpuszczają się w tłuszczach. Wnikając w przestrzeń międzybłonową komórki, dyfundują do macierzy, ciągnąc za sobą związane protony. Na przykład hormony wydzielane przez tarczycę, które zawierają jod (trójjodotyronina i tyroksyna), mają działanie rozprzęgające. Jeśli tarczyca ma nadczynność, stan pacjentów jest okropny: brakuje im energii ATP, spożywają dużo pożywienia, ponieważ organizm potrzebuje wielu substratów do utleniania, ale tracą na wadze, ponieważ większość otrzymywanej energii jest utracone w postaci ciepła.

Fosforylacja oksydacyjna - jest to główny szlak syntezy ATP, ze względu na energię utleniania substratu tlenem. W mitochondriach zachodzi proces fosforylacji oksydacyjnej. Mitochondria są słusznie nazywane "Elektrownie" komórki, ponieważ przechwytują energię zasobów zewnętrznych i przekształcają ją w inne formy energii. Proces fosforylacji oksydacyjnej można warunkowo podzielić na 4 etapy.

1. Utlenianie substratów energetycznych w macierzy mitochondrialnej.

2. Utlenianie NADH i FADH 2 w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym.

H. Generowanie potencjału protonowego ΔμH + w wyniku energii utleniania substratów energetycznych.

4. Synteza ATP dzięki energii potencjału protonowego.

Utlenianie substratów energetycznych

W reakcji odwodornienia pod wpływem dehydrogenaz zależnych od NAD+ i FAD (DH) dwa atomy wodoru zostają oddzielone od substratów energetycznych. Enzymy są zlokalizowane w macierzy mitochondrialnej, z wyjątkiem dehydrogenazy bursztynianowej zależnej od FAD, która jest zlokalizowana na powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej.

Dehydrogenazy zależne od pirydyny

Acetyl PVC - CoA

DG izocytrynian α-KT
α-KT AH 2 A sukcynylo-S-CoA

Malat OAA

β-hydroksyacylo-CoA NAD + NADH + H + β-ketoacylo-CoA

Dehydrogenazy flawinozależne

bursztynian DG Fumarate

Acyl-CoA AN 2 A Acylenoilo-CoA

FAD FADN 2

W zredukowanych koenzymach 2² są wyższe poziom energii, są to elektrony o wysokiej energii.

NADH + H + ↔ 2H ↔ 2H + + 2²

W ten sposób energia chemiczna podłoży (AN 2) została przekształcona w energię elektronów atomów wodoru (energia elektryczna).

Kofaktory dehydrogenaz (zależne od NADH + H + - i FADH 2 -) są nośnikami dwóch atomów wodoru do innego układu enzymatycznego, a mianowicie do układu łańcucha oddechowego.

2. Utlenianie NADH + H + i FADN 2 w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym (CPE).

Utlenianie NADH + H + i FADH 2 odbywa się przy udziale enzymów redoks mitochondriów zgodnie z reakcją

NADH + H + + 1/2 O 2→PONAD + + H 2 O

Zmiana energii swobodnej tego procesu wynosi: ΔG° = -220 kJ/mol

(ΔG ° = - 52,6 kcal / mol).

Istotą utleniania jest v sekwencyjny transfer elektronów z NADH + H + i FADN 2 włączony tlen za pomocą specjalnych nośników w łańcuchu transportu elektronów.

Nośniki elektronów w łańcuchu transportu elektronów

Nośniki redoks są zlokalizowane na powierzchni lub osadzone w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Miarą powinowactwa pary redoks do elektronów jest potencjał redoks E około, którego wartość określa kierunek przenoszenia elektronów.

Rodzaje wektorów

FMN + 2H + + 2² FMNN 2

Centra żelazowo-siarkowe

Są to białkowe niehemowe nośniki elektronów zawierające żelazo. Istnieje kilka rodzajów centrów żelazowo-siarkowych: Fe-S, Fe 2 -S 2, Fe 4 -S 4. Atomy żelaza w kompleksach mogą dawać i odbierać elektrony, naprzemiennie przechodząc w ferro- (Fe 2+) - i ferri- (Fe 3+) - państw. Wszystkie centra żelazowo-siarkowe oddają elektrony ubichinonowi.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Ubichinon, Koenzym-Q (KoQ) Jest jedynym niebiałkowym nośnikiem elektronów.

KoQ (chinon) KoQ (półchinon) KoQH 2 (hydrochinon)

Po redukcji ubichinon przejmuje nie tylko elektrony, ale także protony. Przy redukcji jednoelektronowej zamienia się w semichinon, organiczny wolny rodnik. E około = + 0,01

Cytochromy- białkowe nośniki elektronów, jako grupa protetyczna, zawierająca żelazo hemowe. Działanie cytochromów opiera się na zmianie stopnia utlenienia atomu żelaza Fe 3+ + ē ↔ Fe 2+. Różne cytochromy są oznaczone indeksami literowymi: b, c 1, c, a, a 3. Cytochromy różnią się budową części białkowej i łańcuchów bocznych hemu, pod tym względem mają również różne wartości potencjałów redoks (potencjały redoks). Cytochrom „b” E o= +0,08, „c i” E0 = + 0,22, „c” E0 = +0,25,« aa z» E0 = +0,29. Osobliwość cytochrom z polega na tym, że jest luźno związany z zewnętrzną powierzchnią wewnętrznej błony mitochondrialnej i łatwo ją opuszcza.

Wszystkie te nośniki elektronów można pogrupować w cztery kompleksy enzymatyczne ustrukturyzowane w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, które są zespołem enzymatycznym zwanym „enzymami oddechowymi”, „systemem cytochromowym”, „CPE” (łańcuch transportu elektronów).

Kompleks I - dehydrogenaza NADH (reduktaza NADH-CoQ). Grupy protetyczne - FMN, FeS. Akceptor elektronów - KoQ.

Kompleks III - KoQH 2 -dehydrogenaza (KoQH 2-cyte.c-reduktaza). Grupy protetyczne: FeS, cytochromy b 1, b 2, c 1. Akceptor elektronów - cytochrom - ok.

Kompleks IV - oksydaza cytochromowa. Grupy protetyczne: cytochromy aa s, Cu 2+. Akceptor elektronów - tlen.

Kompleks II - dehydrogenaza bursztynianowa (reduktaza bursztynianowo-CoQ). Grupy protetyczne FAD, FeS. Akceptor elektronów - KoQ.

Elektrony są transportowane między kompleksami za pomocą mobilnych nośników - ubichinon oraz cytochrom-c.

Nośniki redoks w CPE są ułożone w kolejności rosnących standardowych potencjałów utleniania, co zapewnia spontaniczny transport dwóch elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego od NADH + H + do tlenu, końcowego akceptora elektronów. Przeniesienie dwóch elektronów przez CPE jest pożyteczną pracą i towarzyszy jej stopniowe uwalnianie swobodnej energii Gibbsa (ΔG), która jest następnie wykorzystywana w syntezie ATP.Stopniowe uwalnianie energii prowadzi do tego, że elektrony, które redukują tlen są na niższym poziomie energetycznym w porównaniu do elektronów znajdujących się w zredukowanym NADH+H+ na początku łańcucha.

H. Generowanie potencjału protonowego ΔμH +

Jak przebiega sprzężenie transportu elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego z przekształceniem uwolnionej energii elektrycznej w energię wiązań chemicznych ATP? Na to pytanie odpowiedział w 1961 roku angielski naukowiec Peter Mitchell. Jego koncepcja polegała na tym, że siłą napędową syntezy ATP jest: potencjał elektrochemiczny, potencjał protonowy - ΔμH +. ΔμH +. = Δ pH + Δ φ

pH to gradient protonów, Δφ to różnica potencjału elektrycznego. W 1978 r.

P. Mitchell został nagrodzony nagroda Nobla a teoria chemiosmotyczna została ogólnie przyjęta.

Zgodnie z teorią P. Mitchella energia uwalniana etapami podczas transportu elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego jest wykorzystywana do wypompowywania protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Transport 2H + z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej tworzy gradient stężenia protonów - ΔpH i prowadzi do pojawienia się ładunku ujemnego na powierzchni błony od strony macierzy oraz ładunku dodatniego z przestrzeni międzybłonowej, tworząc w ten sposób różnica potencjałów elektrycznych - Δφ. Źródłem protonów w macierzy mitochondrialnej jest NADH+H+, FADH 2, woda. Możliwość generowania potencjału protonowego zapewnia:

1) nieprzepuszczalność wewnętrznej błony mitochondrialnej dla jonów ogólnie, a zwłaszcza dla protonów.

2) oddzielny transport protonów i elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego. Zapewnia to obecność nośników 2 typów: tylko dla elektronów i elektronów i protonów jednocześnie.

4. Synteza ATP ze względu na potencjał protonowy

Układ enzymatyczny H+ – kompleks ATP-syntaza, ATP-syntaza, ATP-aza katalizuje reakcję fosforylacji ADP przez nieorganiczny fosforan dzięki energii gromadzonej w potencjale elektrochemicznym.

Syntaza protonowa ATP składa się z 2 podkompleksów: F 1 i F o. Podjednostka F1 jest reprezentowana przez 5 rodzajów łańcuchów polipeptydowych i odpowiada za syntezę i hydrolizę ATP. Ma kształt kapelusza grzyba wystającego do macierzy mitochondrialnej i jest powiązany z podjednostką białka błonowego F ® . Fo to hydrofobowy segment 4 łańcuchów polipeptydowych, który przenika całą błonę mitochondrialną i tworzy kanał protonowy w kompleksie enzymatycznym. Poprzez kanały protonowe syntazy ATP następuje powrót protonów z powrotem do macierzy mitochondrialnej. Przypuszcza się, że przejściu protonów towarzyszą zmiany konformacyjne w centrach aktywnych syntazy ATP, co stymuluje syntezę ATP.

Zgodnie z mechanizmem koniugacji fosforylacji oksydacyjnej, zaproponowanym przez Mitchella, przeniesieniu dwóch protonów przez kanał protonowy syntazy ATP towarzyszy synteza jednej cząsteczki ATP.

Reakcje utleniania , katalizowane przez dehydrogenazy zależne od pirydyny, są sprzężone z kompleksem I CPE, dzięki czemu energia uwalniana etapami zapewnia translokację trzech par protonów do przestrzeni międzybłonowej, a w konsekwencji syntezę 3 cząsteczek ATP .

Reakcje utleniania katalizowane przez dehydrogenazy zależne od flawiny są sprzężone z III-ci kompleks CPE i tylko dwie pary protonów są przenoszone do przestrzeni międzybłonowej, dlatego syntetyzuje się 2 ATP .

Reakcja utleniania kwasu askorbinowego jest sprzężona na poziomie semichinonu, dlatego tylko jedna para protonów ulega translokacji i syntetyzowana jest tylko 1 cząsteczka ATP.

Rysunek 6-2. Schemat obwodu oddechowego

Fosforylacja oksydacyjna jest jednym z najważniejszych składników oddychania komórkowego, które prowadzi do produkcji energii w postaci ATP.Substraty fosforylacji oksydacyjnej są produktami rozpadu związków organicznych – białek, tłuszczów i węglowodanów. Na grzebieniach mitochondrialnych zachodzi proces fosforylacji oksydacyjnej.

Najczęściej jednak jako substrat stosuje się węglowodany, np. komórki mózgowe nie są w stanie wykorzystać do odżywiania żadnego innego substratu poza węglowodanami.

Węglowodany złożone są podzielone na proste, aż do powstania glukozy. Glukoza jest wszechstronnym substratem w procesie oddychania komórkowego. Utlenianie glukozy dzieli się na 3 etapy:

Glikoliza

Dekarboksylacja oksydacyjna i cykl Krebsa

Fosforylacja oksydacyjna.

Ponadto glikoliza jest powszechną fazą oddychania tlenowego i beztlenowego.

Do syntezy 1 cząsteczki ATP potrzebne są 3 protony

U zwierząt, roślin i grzybów fosforylacja oksydacyjna zachodzi w wyspecjalizowanych strukturach subkomórkowych, mitochondriach.

46. ​​​​Biochemiczne mechanizmy rozprzęgania utleniania i fosforylacji, czynniki je wywołujące
Rozprzęganie oddychania i fosforylacji

Niektóre substancje chemiczne (protonofory) mogą przenosić protony lub inne jony (jonofory) z przestrzeni międzybłonowej przez błonę do macierzy, z pominięciem kanałów protonowych syntazy ATP. W rezultacie zanika potencjał elektrochemiczny i zatrzymuje się synteza ATP. Zjawisko to nazywa się dysocjacją oddychania i fosforylacji. W wyniku rozprzęgnięcia ilość ATP spada, a ADP wzrasta. W tym przypadku szybkość utleniania NADH i FADH2 wzrasta, a ilość pochłoniętego tlenu również wzrasta, ale energia jest uwalniana w postaci ciepła, a stosunek P / O gwałtownie spada. Z reguły środki rozprzęgające to substancje lipofilowe, które z łatwością przechodzą przez warstwę lipidową błony. Jedną z tych substancji jest 2,4-dinitrofenol (ryc. 6-17), który łatwo przechodzi z formy zjonizowanej do niezjonizowanej, przyczepiając proton w przestrzeni międzybłonowej i przenosząc go na matrycę.

Przykładami środków rozprzęgających mogą być również niektóre leki, takie jak dikumarol – antykoagulant (patrz punkt 14) lub metabolity powstające w organizmie, bilirubina – produkt kataboliczny (patrz punkt 13), tyroksyna – hormon tarczycy (patrz punkt 11). . Wszystkie te substancje wykazują efekt rozprzęgania tylko w ich wysokim stężeniu.

Wyłączeniu fosforylacji po wyczerpaniu ADP lub fosforanu nieorganicznego towarzyszy zahamowanie oddychania (efekt kontroli oddechowej). Duża liczba uszkadzanie błony mitochondrialnej udary zakłócają sprzężenie między utlenianiem a fosforylacją, umożliwiając przenoszenie elektronów nawet przy braku syntezy ATP (efekt rozprzęgania)

1. Całkowita wydajność:

Do syntezy 1 cząsteczki ATP potrzebne są 3 protony.

2. Inhibitory fosforylacji oksydacyjnej:

Inhibitory bloku V kompleks:

Oligomycyna - blokuje kanały protonowe syntazy ATP.

Atraktylozyd, cyklofilina - blokują translokazy.

3. Separatory fosforylacji oksydacyjnej:

Substancje rozprzęgające to substancje lipofilowe, które są w stanie przyjąć protony i przenosić je przez wewnętrzną błonę mitochondrialną z pominięciem kompleksu V (jego kanału protonowego). Odłączniki:

Naturalne - produkty peroksydacji lipidów, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe; duże dawki hormonów tarczycy.

Sztuczne - dinitrofenol, eter, pochodne witaminy K, środki znieczulające.

47. Mechanizmy powstawania wolnych rodników. Systemy antyoksydacyjne w komórkach

Wolne rodniki w chemii cząstki (zwykle niestabilne) zawierające jeden lub więcej niesparowanych elektronów na zewnętrznej powłoce elektronowej. Zgodnie z inną definicją wolny rodnik to rodzaj cząsteczki lub atomu zdolnego do niezależnego istnienia (to znaczy posiadającego względną stabilność) i posiadającego jeden lub dwa niesparowane elektrony. Niesparowany elektron sam zajmuje orbitę atomową lub molekularną. Z reguły rodniki mają właściwości paramagnetyczne, ponieważ obecność niesparowanych elektronów powoduje interakcję z polem magnetycznym. Ponadto obecność niesparowanego elektronu może znacznie zwiększyć reaktywność, chociaż ta właściwość rodników jest bardzo zróżnicowana.

Edukacja

W rezultacie może powstać rodnik straty

lub w otrzymujący jeden elektron przez nierodnikową cząsteczkę:

Większość rodników powstaje podczas reakcji chemicznych podczas homolitycznej dysocjacji wiązań. Natychmiast ulegają dalszym przemianom w bardziej stabilne cząstki:

Zarodkowanie łańcucha rodnikowego może być zainicjowane przez działanie surowych warunków na substancję ( wysokie temperatury promieniowanie elektromagnetyczne, promieniowanie). Wiele związków nadtlenkowych jest również dobrymi cząsteczkami tworzącymi wolne rodniki.

Przeciwutleniacze(przeciwutleniacze, konserwanty) - inhibitory utleniania, naturalne lub syntetyczne substancje zdolne do spowalniania utleniania (rozpatrywane głównie w kontekście utleniania związków organicznych).

Głównym wewnętrznym źródłem zagrożenia dla homeostazy komórkowej organizmów beztlenowych są związki pośrednie biorące udział w przenoszeniu tlenu oraz produkty powstające w wyniku metabolizmu tlenu. W toku ewolucji organizmy beztlenowe wykształciły dobrze uregulowane mechanizmy neutralizacji utleniającego działania tlenu i jego aktywnych metabolitów. Te samowystarczalne składniki obronne są określane jako „systemy obrony przeciwutleniającej”.

Mechanizmy działania

Utlenianie węglowodorów, alkoholi, kwasów, tłuszczów i innych substancji wolnym tlenem jest procesem łańcuchowym. Reakcje łańcuchowe przemian przebiegają z udziałem aktywnych wolnych rodników – nadtlenku (RO 2*), alkoksy (RO*), alkilu (R*), a także reaktywnych form tlenu (anion nadtlenkowy, tlen singletowy). Reakcje utleniania rozgałęzionych łańcuchów charakteryzują się wzrostem szybkości podczas transformacji (autokataliza). Wynika to z powstawania wolnych rodników podczas rozkładu produktów pośrednich - wodoronadtlenków itp.

Mechanizm działania najpowszechniejszych antyoksydantów (amin aromatycznych, fenoli, naftoli itp.) polega na zerwaniu łańcuchów reakcji: cząsteczki antyoksydantów oddziałują z aktywnymi rodnikami tworząc rodniki o niskiej aktywności. Utlenianie spowalnia również w obecności substancji niszczących wodoronadtlenki (siarczki dialkilu itp.). W tym przypadku zmniejsza się tempo powstawania wolnych rodników. Nawet w niewielkiej ilości (0,01-0,001%) przeciwutleniacze zmniejszają szybkość utleniania, dlatego przez pewien czas (okres hamowania, indukcji) produkty utleniania nie są wykrywane. W praktyce hamowania procesów oksydacyjnych duże znaczenie ma zjawisko synergii – wzajemnego wzmacniania skuteczności przeciwutleniaczy w mieszaninie lub w obecności innych substancji.

Szlak oksydazowy do wykorzystania tlenu w komórce

Przyczyny i konsekwencje uszkodzeń mitochondriów

Funkcje metaboliczne i homeostatyczne mitochondriów

Lokalizacja enzymów mitochondrialnych

1). Zewnętrzna męmbrana zawiera: a). elongazy, enzymy wydłużające cząsteczki nasyconych kwasów tłuszczowych; b). hydroksylaza kinureninowa; v). oksydaza monoaminowa (marker) itp.

2). Przestrzeń międzybłonowa zawiera: a). cyklaza adenylanowa; b). kinaza difosforanu nukleozydu.

3). Wewnętrzna membrana zawiera: a). enzymy łańcucha fosforylacji oksydacyjnej, których markerem jest oksydaza cytochromowa; b). Cel zrównoważonego rozwoju c). β-hydroksymaślan DH; G). acylotransferaza karnityny.

4). Matryca zawiera: a). enzymy TCA; b). enzymy β-oksydacyjne kwasów tłuszczowych; v). aminotransferaza AST, ALT; G). glutaminian DG e). karboksylaza fosfoenolopirogronianowa e). pirogronian DH.

Komórka zawiera od setek do tysięcy mitochondriów, ich wielkość to 2-3 mikrony długości i 1 mikron szerokości.

W mitochondriach zachodzi: synteza ATP i wytwarzanie ciepła w reakcji fosforylacji oksydacyjnej; β-utlenianie kwasów tłuszczowych; Reakcje CTK, niektóre reakcje glukoneogenezy, transaminacji, deaminacji, lipogenezy i syntezy hemu przebiegają przez CTK, zachodzi integracja metabolizmu białek, lipidów i węglowodanów.

Uszkodzenie błony wewnętrznej mitochondriów przez czynniki chemiczne i fizyczne prowadzi do zakłócenia procesu syntezy ATP, zahamowania reakcji anabolicznych, transportu międzybłonowego oraz wszelkiego rodzaju metabolizmu.

- fosforylacja oksydacyjna

Sposób wykorzystania tlenu przez oksydazę składa się z procesów utleniania i fosforylacji, które są ze sobą sprzężone. Obejmuje około 40 różnych białek. Szlak oksydazowy zużywa 90% O 2 i jest głównym źródłem ATP w komórkach tlenowych.

Fosforylacja oksydacyjna nazwany syntezą ATP z ADP i H 3 PO 4 ze względu na energię przenoszenia elektronów wzdłuż CPE. Podczas utleniania uwalniane jest 220 kJ/mol energii swobodnej. Synteza 3 ATP jest zużywana: 30,5 * 3 = 91,5 kJ / mol. Jest uwalniany w postaci ciepła: 220-91,5 = 128,5 kJ / mol. Wydajność = 40% PONAD 2 + ½O 2 → PONAD + + H 2 O + 220 kJ / mol ADP + H 3 PO 4 + 30,5 kJ / mol = ATP + H 2 O 1). Łańcuch utleniania (łańcuch oddechowy) składa się z 4 kompleksów białkowych, które są w pewien sposób wbudowane w błonę wewnętrzną mitochondriów oraz małych ruchomych cząsteczek ubichinonu i cytochromu C, które krążą w warstwie lipidowej błony pomiędzy kompleksami białkowymi. Kompleks I - kompleks dehydrogenazy NADH 2– największy z kompleksów enzymatycznych układu oddechowego - ma masę cząsteczkową ponad 800 KDa, składa się z ponad 22 łańcuchów polipeptydowych, zawiera jako koenzymy FMN i 5 białek żelazowo-siarkowych (Fe 2 S 2 i Fe 4 S 4). Kompleks II - SDG ... Zawiera FAD i białko żelazowo-siarkowe jako koenzymy. Kompleks III - Kompleks b-c 1 (enzym QH 2 DH) , ma masę cząsteczkową 500 kDa, składa się z 8 łańcuchów polipeptydowych i prawdopodobnie występuje jako dimer. Każdy monomer zawiera 3 hemy związane z cytochromami b 562, b 566, c 1 oraz białkiem żelazowo-siarkowym. Kompleks IV - Kompleks oksydazy cytochromowej ma masę cząsteczkową 300 kDa, składa się z 8 łańcuchów polipeptydowych, występuje w postaci dimeru. Każdy monomer zawiera 2 cytochrom (a i 3) oraz 2 atomy miedzi. Koenzym Q (ubichinon). Lipid, którego rodnik u ssaków składa się z 10 jednostek izoprenoidowych (Q 10). Ubichinon przenosi 2H+ i 2e - każdy. ubichinon ↔ semichinon ↔ hydrochinon Cytochrom c... Obwodowe, rozpuszczalne w wodzie białko błonowe o masie 12,5 kDa, zawiera 1 łańcuch polipeptydowy na 100 AA oraz cząsteczkę hemu Stosunki molekularne między składnikami łańcucha oddechowego różnią się różne tkaniny... Na przykład w mięśniu sercowym na 1 cząsteczkę kompleksu dehydrogenazy NADH 2 przypada 3 cząsteczki kompleks b-c 1, 7 cząsteczek kompleksu oksydazy cytochromowej, 9 cząsteczek cytochromu C i 50 cząsteczek ubichinonu. 2). Fosforylacja przeprowadzany przez ATP-syntetazę (H+-ATP-azę) - integralne białko wewnętrznej błony mitochondrialnej. Syntaza ATP składa się z 2 kompleksów białkowych oznaczonych jako F 0 i F 1. Hydrofobowy kompleks F0 jest zanurzony w membranie.

Żywe organizmy są w stałym i nierozerwalnym związku z środowisko... To połączenie odbywa się w procesie metabolizmu. Metabolizm składa się z 3 etapów: przyjmowanie substancji do organizmu, metabolizm i wydalanie produktów końcowych z organizmu.

Pobieranie substancji do organizmu następuje w wyniku oddychania (tlen) i odżywiania. Źródłem energii dla człowieka jest rozkład materii organicznej w żywności. Głównie białka, polisacharydy, tłuszcze zawierają składniki odżywcze, które podczas trawienia rozkładane są na mniejsze cząsteczki (glukoza, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, glicerol). W komórkach substancje te ulegają przemianom, m.in metabolizm(metabolizm). Mogą służyć do syntezy bardziej złożonych cząsteczek ( anabolizm) lub rozpad na produkty końcowe w procesach katabolizm.

Katabolizm- proces rozbijania cząsteczek organicznych na produkty końcowe. Produktami końcowymi przemian substancji organicznych u zwierząt i ludzi są CO 2, H 2 O i mocznik. Procesy katabolizmu obejmują metabolity powstające zarówno podczas trawienia, jak i podczas rozpadu strukturalnych i funkcjonalnych składników komórek.

Anabolizmłączy procesy biosyntezy, w których proste elementy budulcowe są łączone w złożone makrocząsteczki niezbędne dla organizmu. Reakcje anaboliczne wykorzystują energię uwalnianą podczas katabolizmu.

Utlenianie biologiczne

Rozpadowi substancji w tkankach towarzyszy zużycie tlenu i uwalnianie CO 2. Jednocześnie uwalniana jest energia niezbędna do funkcjonowania komórek. Wdychany tlen wykorzystywany jest do syntezy wody metabolicznej z udziałem wodoru w procesie utleniania substratów oddychanie tkankowe.

SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O + energia

Na przykład utlenianie 1 mola glukozy następuje z uwolnieniem 2780 kJ energii. Energia substancji utleniających jest wykorzystywana przez komórki do syntezy ATP z ADP. Fosforylacja ADP w komórkach następuje przez dodanie H 3 PO 4. Reakcja przychodzi wraz z wydatkowaniem energii.

ATF- cząsteczka bogata w energię, ponieważ zawiera dwa wiązania wysokoenergetyczne. Niektóre reakcje biosyntetyczne w organizmie mogą zachodzić przy udziale innych trifosforanów nukleozydów, analogów ATP; należą do nich GTP, UTP i CTP. Z kolei wszystkie te nukleotydy powstają przy wykorzystaniu swobodnej energii końcowej grupy fosforanowej ATP. Wreszcie, dzięki wolnej energii ATP, wykonywane są różnego rodzaju prace leżące u podstaw życiowej aktywności organizmu, na przykład skurcze mięśni czy aktywny transport substancji.

Gdy jako źródło energii stosuje się ATP, najczęściej dochodzi do hydrolizy tylko jednego wiązania wysokoenergetycznego, podczas gdy uwalniane jest około 50 kJ/mol energii i ponownie powstaje ADP. Zawartość ATP w organizmie człowieka jest niewielka i wynosi około 50 g, biorąc pod uwagę, że komórki nie są w stanie akumulować ATP, a zużycie energii występuje w sposób ciągły, organizm również stale syntetyzuje ATP z ADP i nieorganicznego fosforanu H 3 PO 4. W organizmie ludzkim można zsyntetyzować do 60 kg ATP dziennie.

W zależności od źródła energii zapewniającego przyłączenie reszty fosforanowej rozróżnia się dwa typy fosforylacji ADP: oksydacyjną i substratową.

Fosforylacja substratowa ADP odbywa się kosztem energii wysokoenergetycznych wiązań związków (1,3-bisfosfoglicerynian i fosfoenolopirogronian, sukcynylo-CoA). Proces ten może zachodzić zarówno w macierzy mitochondrialnej, jak i w cytoplazmie komórek, niezależnie od obecności tlenu.

Fosforylacja oksydacyjna ADP- konwersja ADP do ATP odbywa się za pomocą energii przeniesienia elektronów z substancji organicznych do tlenu. Energia do fosforylacji oksydacyjnej jest dostarczana przez ORP. Proces ten może zachodzić tylko w warunkach tlenowych przy udziale enzymów łańcucha transportu elektronów (CPE) i syntazy ATP.

Fosforylacja oksydacyjna ADP jest głównym mechanizmem syntezy ATP w organizmie. Występuje w mitochondriach, które są głównymi dostawcami ATP i można je uznać za „elektrownie” komórki.

Błony mitochondrialne różnią się znacznie pod względem składu i funkcji. Membrana zewnętrzna jest swobodnie przepuszczalna dla wielu małych cząsteczek do 5000 kDa. Przepuszczalność błony wewnętrznej jest ograniczona i determinowana przez obecność białek nośnikowych. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest bogata w białka (80%). Zawiera wszystkie kompleksy enzymatyczne i składniki CPE, które są odpowiedzialne za fosforylację oksydacyjną ADP.

Jednym z największych białek w wewnętrznej błonie mitochondrialnej jest syntaza ATP.

Jest to białko składające się z dwóch kompleksów oligomerycznych (F 0 i F 1). F 0 składa się z 6 hydrofobowych protomerów typu a, b, c, zanurzonych w wewnętrznej błonie mitochondriów i tworzących kanał przewodzący H+. 3 dodatkowe podjednostki wiążą kompleks F0 z kompleksem F1. Kompleks F 1 pojawia się w macierzy mitochondrialnej i tworzy „bańkę” na wewnętrznej powierzchni błony mitochondrialnej, która ma aktywne miejsce wiązania ADP i H 3 PO 4. Jest to fosforylacja i tworzenie ATP.

Przestrzeń międzybłonowa również odgrywa rolę w produkcji ATP, ponieważ może akumulować protony, które tworzą ładunek na powierzchni błony wewnętrznej niezbędny do aktywacji syntazy ATP.

Macierz mitochondrialna składa się z enzymów, DNA, RNA i rybosomów. ORP w komórce występuje w macierzy mitochondrialnej. Najważniejszymi źródłami energii są reakcje odwodornienia. W reakcjach odwodornienia elektrony i protony są przenoszone z substratów organicznych do koenzymów dehydrogenaz zależnych od NAD i FAD. Elektrony o wysokim potencjale energetycznym są przenoszone ze zredukowanych koenzymów NADH i FADH 2 do tlenu poprzez łańcuch nośników zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Odzyskiwanie cząsteczki O 2 następuje w wyniku przeniesienia 4 elektronów. Z każdym dodaniem 2 elektronów do tlenu, wchodzących do niego przez łańcuch nośny, 2 protony są absorbowane z matrycy, co powoduje powstanie cząsteczki Н 2 О.