13.4.1. Реакции цикла Кребса относятся к третьей стадии катаболизма питательных веществ и происходят в митохондриях клетки. Эти реакции относятся к общему пути катаболизма и характерны для распада всех классов питательных веществ (белков, липидов и углеводов).

Главной функцией цикла является окисление ацетильного остатка с образованием четырёх молекул восстановленных коферментов (трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 ), а также образование молекулы ГТФ путём субстратного фосфорилирования. Атомы углерода ацетильного остатка выделяются в виде двух молекул СО2 .

13.4.2. Цикл Кребса включает 8 последовательных стадий, обращая особое внимание на реакции дегидрирования субстратов:

Рисунок 13.6. Реакции цикла Кребса, включая образование α-кетоглутарата

а) конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом , в результате которой образуется цитрат (рис.13.6, реакция 1); поэтому цикл Кребса называют также цитратным циклом . В этой реакции метильный углерод ацетильной группы взаимодействует с кетогруппой оксалоацетата; одновременно происходит расщепление тиоэфирной связи. В реакции освобождается КоА-SH, который может принять участие в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата. Реакцию катализирует цитратсинтаза , это – регуляторный фермент, он ингибируется высокими концентрациями НАДН, сукцинил-КоА, цитрата.

б) превращение цитрата в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Образующийся в первой реакции цикла цитрат содержит третичную гидроксильную группу и не способен окисляться в условиях клетки. Под действием фермента аконитазы идёт отщепление молекулы воды (дегидратация), а затем её присоединение (гидратация), но другим способом (рис.13.6, реакции 2-3). В результате данных превращений гидроксильная группа перемещается в положение, благоприятствующее её последующему окислению.

в) дегидрирование изоцитрата с последующим выделением молекулы СО2 (декарбоксилированием) и образованием α-кетоглутарата (рис. 13.6, реакция 4). Это – первая окислительно-восстановительная реакция в цикле Кребса, в результате которой образуется НАДН. Изоцитратдегидрогеназа , катализирующая реакцию, - регуляторный фермент, активируется АДФ. Избыток НАДН ингибирует фермент.

Рисунок 13.7. Реакции цикла Кребса, начиная с α-кетоглутарата.

г) окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата , катализируется мультиферментным комплексом (рис. 13.7, реакция 5), сопровождается выделением СО2 и образованием второй молекулы НАДН. Эта реакция аналогична пируватдегидрогеназной реакции. Ингибитором служит продукт реакции – сукцинил-КоА.

д) субстратное фосфорилирование на уровне сукцинил-КоА, в ходе которого энергия, освобождающаяся при гидролизе тиоэфирной связи, запасается в форме молекулы ГТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования, этот процесс протекает без образования электрохимического потенциала митохондриальной мембраны (рис. 13.7, реакция 6).

е) дегидрирование сукцината с образованием фумарата и молекулы ФАДН2 (рис. 13.7, реакция 7). Фермент сукцинатдегидрогеназа прочно связан с внутренней мембраной митохондрии.

ж) гидратация фумарата , в результате чего в молекуле продукта реакции появляется легко окисляемая гидроксильная группа (рис. 13.7, реакция 8).

з) дегидрирование малата , приводящее к образованию оксалоацетата и третьей молекулы НАДН (рис.13.7, реакция 9). Образующийся в реакции оксалоацетат может вновь использоваться в реакции конденсации с очередной молекулой ацетил-КоА (рис. 13.6, реакция 1). Поэтому данный процесс носит циклический характер.

13.4.3. Таким образом, в результате описанных реакций подвергается полному окислению ацетильный остаток СН3 -СО- . Количество молекул ацетил-КоА, превращаемых в митохондриях в единицу времени, зависит от концентрации оксалоацетата. Основные пути увеличения концентрации оксалоацетата в митохондриях (соответствующие реакции будут рассмотрены позднее):

а) карбоксилирование пирувата – присоединение к пирувату молекулы СО2 с затратой энергии АТФ; б) дезаминирование или трансаминирование аспартата – отщепление аминогруппы с образованием на её месте кетогруппы.

13.4.4. Некоторые метаболиты цикла Кребса могут использоваться для синтеза структурных блоков для построения сложных молекул. Так, оксалоацетат может превращаться в аминокислоту аспартат, а α–кетоглутарат – в аминокислоту глутамат. Сукцинил-КоА принимает участие в синтезе гема – простетической группы гемоглобина. Таким образом, реакции цикла Кребса могут участвовать как в процессах катаболизма, так и анаболизма, то есть цикл Кребса выполняет амфиболическую функцию (см. 13.1).

Химические реакции, протекающие в клетках, катализируются ферментами. Неудивительно поэтому, что большинство способов регуляции обмена веществ основано на двух ведущих процессах: изменении концентрации ферментов и их активности. Эти способы регуляции метаболизма характерны для всех клеток и осуществляются с помощью разнообразных механизмов в ответ на сигналы разного рода. Кроме этого, клетки владеют дополнительными способами регуляции метаболизма, многообразие которых удобно рассмотреть в соответствии с несколькими уровнями организации.

Регуляция на уровне транскрипции . Этот тип регуляции рассмотрен в главе 3 на нескольких примерах положительного и отрицательного контроля транскрипции прокариотических генов. Данный механизм характерен, в первую очередь, для регуляции количества мРНК, определяющих структуру ферментов, а кроме этого - белков-гистонов, рибосомальных, транспортных белков. Группа последних, не обладая каталитической активностью, также принимает большое участие в изменении скорости соответствующих процессов (формирование хромосом и рибосом, транспорт веществ через мембраны), а значит, и метаболизма в целом.

В регуляции транскрипции генов участвуют регуляторные белки, структура которых определяется специфическими генами (регулято-рами), их комплексы с лигандами (например, лактозой при индукции транскрипции или триптофаном при репрессии), комплексы сАМР-САР, гуанозинтетрафосфат, а в некоторых случаях таким действием обладают белки - продукты экспрессии собственных генов. Особое значение в данных процессах имеют такие важные сигнальные молекулы, как сАМР и гуанозинтетрафосфат. Можно сказать, что сАМР сигнализирует клетке об энергетическом голоде-отсутствии глюкозы. В ответ на это увеличивается частота транскрипции структурных генов, отвечающих за катаболизм других источников углерода и энергии (активация катаболитных оперонов, катаболитная репрессия, глава 3). Гуанозинтетрафосфат (гуанозин-5’-дифосфат-3’-дифосфат) является сигналом аминокислотного голодания. Этот нуклеотид связывается с РНК-полимеразой и изменяет ее сродство к промоторам различных генов. В реультате экспрессия генов, ответственных за биосинтез углеводов, липидов, нуклеотидов и др. уменьшается, а экспрессия других генов, в частности детерминирующих процессы протеолиза белков, наоборот, повышается.

Процесс транскрипции чаще регулируется с помощью изменения частоты событий инициации транскрипции, но, кроме этого, могут регулироваться скорость элонгации транскрипции и частота ее преждевременной терминации. На события элонгации и терминации первостепенное влияние оказывает конформационное состояние ДНК или самой мРНК (наличие «стоп-сигналов», шпилечных структур).

Аллостерическая регуляция активности ферментов . Этот тип регуляции является одним из самых быстрых и гибких, он осуществляется с помощью молекул-эффекторов, взаимодействующих с аллостерическим центром фермента (глава 6). Аллостерической регуляции, как и оперонной, подвержены ключевые ферменты тех или иных метаболических путей. Таким образом, скорость всего биосинтетического или катаболического процесса зависит от одной, реже нескольких реакций, катализируемых ключевыми ферментами.

Особое значение регуляция имеет для процессов биосинтеза протеиногенных аминокислот. Поскольку их 20, и каждая в суммарном клеточном белке у разных организмов представлена в определенном отношении, требуется очень четкая регуляция, координирующая процессы синтеза отдельных аминокислот. Такой контроль исключает перепроизводство аминокислот, и выделение их из клетки возможно лишь у микроорганизмов с нарушенной регуляцией.

Пример регуляции биосинтеза аминокислот семейства аспартата у энтеробактерий представлен на рис. 19.3. Четыре аминокислоты имеют общий предшественник - аспарагиновую кислоту. Ее превращение в аспартилфосфат у бактерий E.coli катализируют три изоферментные формы аспартокиназы, каждая из которых испытывает репрессию и/или ингибирование со стороны разных конечных продуктов данного разветвленного метаболического пути. Аналогичным способом регулируется синтез гомосериндегидрогеназы.

Обращает на себя внимание существование механизма обратной связи , который заключается в том, что конечные продукты метаболических процессов регулируют уровень синтеза и/или активность ферментов, катализирующих первые этапы образования этих метаболитов.

Аллостерическими эффекторами могут выступать самые различные вещества: субстраты и конечные продукты метаболических путей, иногда - промежуточные метаболиты; в катаболических процессах-нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты, а также переносчики восстановительных эквивалентов; в каскадных реакциях - сАМР и сGMP, которые регулируют активность ферментов (например, протеинкиназ), участвующих в ковалентной модификации белков; ионы металлов и множество иных соединений. Примеры аллостерической регуляции ферментов приведены в главе 6 и др. разделах.

Ковалентная модификация ферментов . Этот тип регуляции активности ферментов иначе называют взаимопревращениями ферментов, поскольку суть данного процесса состоит в превращении активных форм ферментов в неактивные и наоборот. Особенности и примеры ковалентной модификации описаны в главе 6. Эти процессы находятся под разнообразным контролем, в том числе и гормональным. Классическим примером взаимопревращений ферментов является регуляция метаболизма гликогена в печени.

Скорость синтеза этого резервного полисахарида находится под контролем гликоген-синтазы, а расщепление катализируется гликогенфосфорилазой. Оба фермента могут пребывать в активной и неактивной формах. При голодании или в стрессовых ситуациях в кровь выделяются гормоны - адреналин и глюкагон, которые связываются с рецепторами на плазматических мембранах клеток и активируют при посредничестве G-белков фермент аденилатциклазу (катализирует синтез сАМР). сАМР связывается с протеинкиназой А и активирует ее, что приводит к фосфорилированию гликоген-синтазы и переводу ее в неактивную форму. Гликоген перестает синтезироваться. Кроме этого, протеинкиназа А в ходе каскадных реакций вызывает фосфорилирование гликоген-фосфорилазы, которая в результате активируется и начинает расщеплять гликоген. На процессы синтеза и распада гликогена действует также другой гормон-инсулин. В этом примере сигнальными молекулами служат гормоны, а посредниками - G-белок и сАМР. Взаимопревращения ферментов осуществляются в ходе фосфорилирования-дефосфорилирования.

Гормональная регуляция. Этот тип регуляции метаболизма предусматривает участие гормонов - сигнальных веществ, образующихся в клетках эндокринных желез, поэтому гормональная регуляция свойственна только высшим организмам. Выше описано действие гормонов на процесс обмена гликогена, в котором регулируется активность ферментов на уровне ковалентной модификации. Кроме этого, гормоны способны оказывать воздействие на скорость транскрипции (оперонная регуляция).

Из специализированных клеток, где происходит синтез гормонов, последние поступают в кровь и переносятся к клеткам-мишеням, имеющим рецепторы, способным связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональный сигнал. Связывание гормона рецептором запускает каскад реакций с участием молекул-посредников, которые завершаются клеточным ответом. Липофильные гормоны связываются с внутриклеточным рецептором (белок) и регулируют транскрипцию определенных генов. Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецепторами на плазматической мембране.

Кроме гормонов, аналогичным действием обладают другие сигнальные вещества: медиаторы, нейромедиаторы, ростовые факторы. Четкой границы, позволяющей отличать гормоны от перечисленных веществ, нет. Медиаторами называют сигнальные вещества, которые продуцируются не железами внутренней секреции, а различными типами клеток. К медиаторам относят гистамин, простагландины, которые обладают гормоноподобным действием.

Нейромедиаторами считают сигнальные вещества, продуцируемые клетками центральной нервной системы.

Изменение концентрации метаболитов . Важным условием, обеспечивающим высокую скорость того или иного метаболического пути, является концентрация субстратов. Она может зависеть от интенсивности протекания других процессов, в которых также расходуются эти субстраты (конкуренция), или от скорости транспорта данных веществ через мембраны (плазматическую или органелл). В частности, у эукариотических клеток появляется возможность регулировать метаболизм, перераспределяя метаболиты по отдельным компартментам.

Кроме этого, скорость метаболических процессов определяется концентрацией кофакторов. Например, гликолиз и ЦТК регулируются доступностью ADP (глава 10, 11) на уровне изменения активности ключевых аллостерических ферментов.

Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул . Эти процессы также описаны в соответствующих разделах (глава 3). Модификация и/или процессинг первичных РНК-транскриптов осуществляются с разной скоростью, от чего зависит концентрация зрелых молекул РНК, способных транслироваться, а значит, и интенсивность белкового синтеза. В свою очередь, пептиды, прежде чем превратиться в зрелый белок, также должны модифицироваться, и если это касается ферментов, то речь идет об их ковалентной модификации.

В живых организмах, находящихся в процессе постоянного контакта и обмена с окружающей средой, происходят непрерывные химические изменения, составляющие их метаболизм (множество ферментативных реакций). Масштабы и направление метаболических процессов очень разнообразны. Примеры:

а) число клеток E.coli в бактериальной культуре может удваиваться на 2/3 за 20 минут в простой среде с глюкозой и неорганическими солями. Эти компоненты поглощаются, но лишь немногие выделяются в среду растущей бактериальной клеткой, а она состоит приблизительно из 2.5 тыс. белков, 1 тыс. органических соединений, разнообразных нуклеиновых кислот в количестве 10-3*10 молекул. Очевидно, что эти клетки участвуют в грандиозном биологическом спектакле,в котором планово поставляются огромное количество биомолекул необходимых для роста клеток. Не менее сильно впечатляет метаболизм взрослого человека, который сохраняет неизменную массу и состав тела приблизительно 40 лет, хотя за это время потребляет около 6 тонн твердой пищи и 37850 литров воды. Все вещества в организме превращаются (сложные в простые и наоборот) 2/3 ряд последовательных соединений, каждое из которых называется метаболитом. Каждое превращение - этап метаболизма.

Совокупность таких последовательных стадий катализируемых отдельными ферментами называется метаболическим путем. Из совокупности образных метаболических путей, их совместного функционирования складывается метаболизм. Это осуществляется последовательно а не хаотично (синтез аминокислот, распад глюкозы, жирных кислот, синтез пуриновых оснований). Мы знаем очень мало, отсюда и механизм действия лекарственных веществ очень прозрачен!!!

Весь путь метаболизма контролируется обычно первым - вторым этапом метаболизма (лимитирующий фактор, ферменты с аллостерическим центром - регуляторные).

Такие этапы называются ключевыми, а метаболиты на этих этапах ключевыми метаболитами.

Метаболиты, находящиеся на перекрестных путях метаболизма называются узловыми метаболитами.

Есть циклические пути обмена а) обычно участвует другое вещество и исчезает б) клетка обходится малым количеством метаболитов - экономия. Контрольные пути превращение основных питательных веществ

Альбинизм Эндемический зоб

пигмент гомогент. к-та Тироксин

меланина

Алкаптурия

углекислый газ и вода

Регуляция метаболизма

Каждая реакция идет со скоростью, соизмеримой с потребностью клетки ("умные" клетки!). Эти специфические определяют регуляцию метаболизма.

I. Регуляция скорости поступления метаболитов в клетку (на перенос влияют молекулы воды и градиента концентрации).

а) простая диффузия (например вода)

б) пассивный транспорт (нет затраты энергии, например пентозы)

в) активный транспорт (система переносчиков, АТФ)

II. Контроль количества некоторых ферментов Подавление синтеза ферментов конечным продуктом метаболизма. Это явление представляет собой грубый контроль метаболизма, например синтез ферментов, синтезирующих ГИС подавляется в присутствии ГИС в среде, бактериальной культуре. Грубый контроль - так как он реализуется в течение длительного времени пока разрушаются готовые молекулы фермента. Индукция одного или нескольких ферментов субстратами (увеличение концентрации специфического фермента). У млекопитающих подобное явление наблюдается спустя несколько часов или суток в ответ на индуктор.

III. Контроль каталитической активности а) ковалентная (химическая) модификация б) аллостерическая модификация (+/-) связи Модуляция активности уже присутствующим ферментом - это в основном аллостерическая регуляция (гомо-, гетеро-, гомогетероферменты) или действие активаторов - это тонкий механизм регуляции, так как мгновенно действует в ответ на изменение внутриклеточной среды. Эти регуляторные механизмы эффективны на клеточном и субклеточном уровнях, на межклеточном и органном уровнях регуляции, осуществляющейся гормонами, нейромедиаторами, внутриклеточными медиаторами, простогландинами.

Пути метаболизма:

1) катаболические

2) анаболические

3) амфоболитические (связывают первых два)

Катаболизм - последовательность ферментативных реакций, в результате которых происходит разрушение в основном за счет реакций окисления крупных молекул (углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты) с образованием легких (молочной и уксусной кислот, углекислого газа и воды) и выделением энергии заключенной в ковалентных связях различных соединений, часть энергии запасается в виде макроэргических связей, идущих затем на механическую работу, транспорт веществ, биосинтез крупных молекул.

Различают три стадии катаболизма:

I стадия - Пищеварение. Крупные пищевые молекулы расщепляются на строительные блоки под влиянием пищеварительных ферментов в ЖКТ, при этом выделяется 0.5-1% энергии, заключающейся в связях.

II стадия - Унификации. Большое число продуктов, образовавшихся на 1 стадии дает во 2 стадии более простые продукты, Число которых невелико, при этом освобождается около 30% энергии. Ценна эта стадия еще тем, что освобождение энергии на этом этапе дает начало синтезу АТФ в бескислородных (анаэробных) условиях, что важно организму в условиях гипоксии.

III стадия - Цикл Кребса. (трикарбоновых кислот / лимонной кислоты). По сути это процесс превращения двухуглеродного соединения (уксусная кислота) в 2 моль углекислого газа, но этот путь очень сложный, циклический, многоферментный, основной поставщик электронов в дыхательную цепь, и соответственно молекул АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Почти все ферменты цикла находятся внутри митохондрий, поэтому доноры электронов ЦТК свободно отдают электроны непосредственно дыхательной цепи мембранной системы митохондрий.

Схема Цикла трикарбоновых кислот.

Сукцинил КоА - содержит макроэргическую тиоэфирную связь, способную трансформироваться в макроэргическую связь ГТФ (субстратное фосфорилирование).

ФАД - передает электроны на КoQ дыхательной цепи: электрон

альфакетоглутарат вода изоцитрат

альфакетоглутарат сукцинил КоА СО2

Кроме всего ЦТК - это 1 стадия одновременно анаболизма.

1) различные ферментные системы.

2) локализация процессов различна (например окисление жирных кислот идет в митохондриях, а синтез - в цитоплазме).

3) различные механизмы аллостерической и генетической регуляции.

4) различный качественный состав конечных продуктов анаболизма.

5) затрата энергии при анаболизме и выделение при катабо

Есть в организме и амфиболические пути (одновременно идет и процесс распада и процесс синтеза). Наиболее крупные:

а) гликолиз фосфотриозы ацетил КоА

б) ЦТК ацетил КоА СО2 + Н2О

Распад разобрали, но из многих продуктов ЦТК могут образовываться различные соединения:

А) щавелевоуксусная кислота асп, асн, глю

Б) альфакетоглутарат глу, глн, глю

В) лимонная кислота в цитоплазму ацетил КоА

жирные кислоты,

стероиды

Г) сукцинил КоА гем

ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Глава IV .8.

Обмен веществ и энергии

Метаболизм или обмен веществ - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществамии энергией, необходимыми для жизнедеятельности. В обмене веществ можно выделить два основных этапа: подготовительный - когда поступившее алиментарным путем вещество подвергается химическим превращениям, в результате которых оно может поступить в кровь и далее проникнуть в клетки, и собственно метаболизм, т.е. химические превращения соединений, проникнувших внутрь клеток.

Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образовавшиеся в процессе метаболизма называются метаболитами, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Процесс распада сложных веществ на более простые называется катаболизмом. Так, поступающие в пищей белки, жиры,углеводы под действием ферментов пищеварительного тракта распадаются на более простые составные части (аминокислоты, жирные кислоты и моносахариды). При этом высвобождается энергия. Обратный процесс, т. е.синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом . Он идет с затратой энергии. Из образовавшихся в результате пищеварения аминокислот, жирных кислот и моносахаридов в клетках синтезируются новые клеточные белки, фосфолипиды мембран и полисахариды.

Существует понятие амфиболизм , когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое.

Метаболический цикл - это метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс.

Частный путь метаболизма - совокупность превращений одного определенного соединения (углеводы или белки). Общий путь метаболизма - когда вовлекаются два и более видов соединений (углеводы, липиды и частично белки вовлечены в энергетический метаболизм).

Субстраты метаболизма - соединения поступающие с пищей. Среди них выделяют основные пищевые вещества (белки, углеводы, липиды) и минорные, которые поступают в малых количествах (витамины, минеральные вещества).

Интенсивность метаболизма определяется потребностью клетки в тех или иных веществах или энергии,регуляция осуществляется четырьмя путями:

1) Суммарная скорость реакций определенного метаболического пути определяется концентрацией каждого из ферментов этого пути, значением рН среды, внутриклеточной концентрацией каждого из промежуточных продуктов, концентрацией кофакторов и коферментов.

2) Активностью регуляторных (аллостерических) ферментов, которые обычно катализируют начальные этапы метаболических путей. Большинство из них ингибируется конечным продуктом данного пути и этот вид ингибирования называется "по принципу обратной связи".

3) Генетический контроль, определяющий скорость синтеза того или иного фермента. Яркий пример - появление в клетке индуцибельных ферментов в ответ на поступление соответствующего субстрата.

4) Гормональная регуляция. Ряд гормонов способны активировать или ингибировать многие ферменты метаболических путей.

Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступление энергии в форме, пригодной для многопланового использования. Для получения энергии практически все живые существа на планете приспособились подвергать гидролизу одну из пирофосфатных связей АТФ. В связи с этим одна из главных задач биоэнергетики живых организмов это восполнение использованных АТФ из АДФ и АМФ.

Основной источник энергии в клетке - окисление субстратов кислородом воздуха. Этот процесс осуществляется тремя путями: присоединением кислорода к атому углерода, отщеплением водорода или потерей электрона. В клетках окисление протекает в форме последовательного переноса водорода и электронов от субстрата к кислороду. Кислород играет в этом случае роль восстанавливающегося соединения (окислителя). Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии.Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Это достигается за счет дробления процесса окисления на ряд промежуточных стадий, что позволяет запасать ее небольшими порциями в виде макроэргических соединений (АТФ). Восстановление атома кислорода при взаимодействии с парой протонов и электронов приводит к образованию молекулы воды.

Тканевое дыхание

Это процесс потребление клетками тканей организма кислорода, который участвует в биологическом окислении. Такой вид окисления называют аэробным окислением . Если конечным акцептором в цепи переноса водорода выступает не кислород, а другие вещества (например пировиноградная кислота), то такой тип окисления называют анаэробным.

Т.о. биологическое окисление - это дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора.

Дыхательная цепь (ферменты тканевого дыхания) - это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Окислитель - это соединение, способное принимать электроны. Такая способность количественно характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом по отношению к стандартному водородному электроду, рН которого равен 7,0. Чем меньше потенциал соединения, тем сильнее его восстанавливающие свойства и наоборот.

Т. о. любое соединение может отдавать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. В дыхательной цепи каждое последующее звено имеет более высокий потенциал, чем предыдущее.

Дыхательная цепь состоит из:

1. НАД - зависимой дегидрогеназы;

2. ФАД- зависимой дегидрогеназы;

3. Убихинона (Ко Q );

4. Цитохрмов b , c , a + a 3 .

НАД-зависимые дегидрогеназы . В качестве кофермента содержат НАД и НАДФ . Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода.

ФАД и ФМН-зависимые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента фосфорный эфир витамина В 2 (ФАД ).

Убихинон (Ко Q ) отнимает водород у флавопротеидов и превращается при этом в гидрохинон .

Цитохромы - белки хромопротеиды, способные присоединять электроны, благодаря наличию в своем составе в качестве простетических групп железопорфиринов. Они принимают электрон от вещества, являющегося немного боле сильным восстановителем, и передают его более сильному окислителю. Атом железа связан с атомом азота имидазольного кольца аминоксилоты гистидина с одной стороны от плоскости порфиринового цикла, а с другой стороны с атомом серы метионина. Поэтому потенциальная способность атома железа в цитохромах к связыванию кислорода подавлена.

В цитохроме с порфириновая плоскость ковалентно связана с белком через два остатка цистеина, а в цитохромахb и , она ковалентно не связано с белком.

В цитохроме а+а 3 (цитохромоксидазе) вместо протопорфирина содержатся порфирин А, который отличатся рядом структурных особенностей. Пятое координационное положение железа занято аминогруппой, принадлежащей остатку аминосахара, входящего в состав самого белка.

В отличии от гема гемолгобина атом железа в цитохромах может обратимо переходить из двух в трехвалентное состояниеэто обеспечивает транспорт электронов (См. подробнее приложение 1 "Атомная и электронная структура гемопротеинов ").

Механизм работы электронтранспортной цепи

Наружная мембрана митохондрии (рис. 4.8.1) проницаема для большинства мелких молекул и ионов, внутренняя почти для всех ионов (кроме протонов Н) и для большинства незаряженных молекул.

Все вышеперечисленные компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану. Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи обеспечивается разностью потенциалов между ее компонентами. При этом каждое увеличение потенциала на 0,16 В освобождает энергию, достаточную для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 . При потреблении одной молекулы О 2 образуется 3 АТФ .

Процессы окисления и образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты т.е. фосфорилирования протекают в митохондриях. Внутренняя мембрана образует множество складок - крист. Пространство органиченное внутренней мембраной - матриксом. Пространство между внутренней и наружной мембранами называется межмембранным.

Такая молекула содержит в себе три макроэргических связи. Макроэргической или богатой энергией называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты и это один из основных путей запасания энергии в организме.

В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи высвобождается энергия, которая тратится на присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ с образованием одной молекулы АТФ и одной молекулы воды. В процессе переноса одной пары электронов по дыхательной цепи высвобождается и запасается в виде трех молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Это составляет около 40 % высвободившейся при электронном транспорте энергии.

Такой способ запасания энергии в клетке называется окислительным фосфорилированием или сопряженным фосфорилированием.

Молекулярные механизмы этого процесса наиболее полно объясняет хемоосмотическая теория Митчелла, выдвинутая в 1961 году.

Механизм окислительного фосфорилирования (рис.4.8.2.):

1) НАД-зависимая дегидрогеназа расположена на матриксной поверхности внутренней мембраны митохондрий отдает пару электронов водорода на ФМН-зависимую дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на ФМН и в результате образуется ФМН Н 2 . В это время пара протонов, принадлежащих НАД выталкивается в межмембранное пространство.

2) ФАД-зависимая дегидрогеназа отдает пару электронов на Ко Q а пару протонов выталкивает в межмембранное пространство. Получив электроны Ко Q принимает из матрикса пару протонов и превращается в Ко Q Н 2 .

3) Ко Q Н 2 выталкивает пару протонов в межмембранное пространство, а пара электронов передается на цитохромы и далее на кислород с образованием молекулы воды.

В итоге при переносе пары электронов по цепи из матрикса в межмембранное пространствоперекачивается 6 протонов (3 пары), что ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4) Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал обратно в матрикс.

5) Такое обратное движение протонов ведет к активации АТФ-синтазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. При переносе одной пары электронов (т.е. трех пар протонов) синтезируется 3 молекулы АТФ (рис. 4.7.3.).

Разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования происходит если протоны начинают проникать через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент рН и исчезает движущая сила фосфорилирования. Химические вещества - разобщители называются протонофорами, они способны переносить протоны через мембрану. К таковым относятся 2,4 -динитрофенол , гормоны щитовидной железы и др. (рис. 4.8.3.).

Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму переносится ферментами транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс переносится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кислоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфата тормозит синтез АТФ.

Скорость окислительного фосфорилирования зависит в первую очередь от содержания АТФ, чем быстрее она расходуется, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и следовательно активнее идет процесс окислительного фосфорилирования. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют дыхательным контролем.

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .8.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.;

5. Степанов В. М. Молекулярная биология. Структура и функции белков // М.: Высшая школа, 1996, 335 с.;

Живая клетка – это открытая система, которая постоянно обменивается с внешней средой веществами и энергией. В клетку поступают питательные вещества, которые используются в качестве строительного и энергетического материала, из клетки выводятся конечные продукты метаболизма.

В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути – последовательность превращения одних соединений в другие. Метаболизм – совокупность всех метаболических путей, протекающих в организме.

Выделяют – катаболизм (распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии) и анаболизм (синтез более сложных веществ из простых веществ).

Все пути согласованы между собой во времени и пространстве. Эта согласованность протекания метаболических процессов обеспечивается сложными механизмами регуляции.

Организация химических реакций в метаболические пути

Оптимальная активность ферментов, регулирующих реакции метаболического пути, достигается благодаря определенной организации в клетке.

1. Пространственная локализация ферментов

Большинство ферментов локализовано внутри клетки, причем ферменты одного метаболического пути находятся в одном отделе клетки. Разделение метаболических путей важно для противоположно направленных процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, то возникали бы бесполезные с физиологической точки зрения пути.

В метаболических путях продукт первой реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты одного пути могут высвобождаться из последовательных реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. все метаболические пути связаны между собой.

Пространственная организация ферментов может быть настолько выражена, что продукт реакции не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции.

Такая организация метаболического пути называется мультиферментным комплексом. Эти комплексы связаны с мембранами. Пример такого комплекса – пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

1. Структура метаболических путей

Метаболические пути подразделяются на 4 типа. Если субстрат превращается в один продукт, то такой путь называется линейным (гликолиз). Чаще встречаются разветвленные пути – когда синтезируются разные продукты в зависимости от потребности клетки (синтез нуклеотидов). Также существуют циклический (цикл трикарбоновых кислот) и спиральный (β-окисление жирных кислот) метаболические пути.

Органоспецифичность

Ферменты находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток изменяется и их ферментный состав. Например, фермент аргиназа, участвующая в синтезе мочевины, находится в клетках печени. Это так называемый органоспецифичный фермент.

Компартментализация

Функционирование клетки обеспечивается пространственной и временной регуляцией метаболических путей. Пространственная регуляция связана с локализацией определенных ферментов в различных органеллах. В ядре находятся ферменты, связанные с синтезом ДНК и РНК, в цитоплазме – ферменты гликолиза, в лизосомах – гидролитические ферменты, в митохондриях – ферменты цикла трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов.

Принципы регуляции метаболических путей

Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. В каждом метаболическом пути есть ключевые ферменты, которые регулируют скорость всего пути. Эти ферменты называются регуляторными.

Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 уровнях:

Изменение количества молекул фермента

Доступность субстрата и кофермента

Изменение каталитической активности фермента

Регуляция количества молекул фермента в клетке

В клетке постоянно происходит синтез и распад белковой молекулы фермента

Аминокислоты Фермент

Регуляция синтеза фермента может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучена регуляция синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции, которая осуществляется гормонами и биологически активными молекулами. Распад ферментов менее изучен.

Регуляция скорости ферментативной реакции доступностью субстрата и кофермента

Главным и необходимым параметром, регулирующим скорость метаболического пути, является наличие первого субстрата. Чем выше его концентрация, тем выше скорость метаболического пути.

Другим параметром является наличие регенерированных коферментов. В реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы НАД+, ФАД, ФМН, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходимо, что они вновь превратились в окисленную форму.

Регуляция каталитической активности фермента

Аллостерическая регуляция

Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий

Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента

Регуляция протеолизом

Аллостерическая регуляция

Ферменты, имеющие такой механизм регуляции являются, как правило, олигомерными белками. Они состоят из нескольких (не менее 2 х) субъединиц, имеют активный и аллостерический центры, которые находятся на разных субъединицах. Присоединение эффектора (клеточного метаболита) в аллостерический центр вызывает кооперативные конформационные изменения всех протомеров.

Если в аллостерическом центре связывается эффектор (активатор), повышается связывание субстрата в активном центре и возрастает скорость реакции, которую катализирует этот фермент. Конформационные перестройки в активном центре фермента повышают или понижают его сродство к субстрату.

При увеличении в клетке концентрации активатора возрастает скорость его связывания в аллостерическом центре. Изменяется конформация регуляторной субъединицы фермента, происходят кооперативные конформационные изменения в ферменте, изменяется конформация активного центра фермента, повышается сродство фермента к субстрату и скорость ферментативной реакции. При понижении концентрации аллостерического активатора снижается скорость связывания регуляторного лиганда в аллостерическом центре. Изменяется конформация регуляторной субъединицы, происходят кооперативные конформационные изменения в ферменте, изменяется конформация активного центра, снижается сродство к субстрату и понижается скорость реакции.

Если же эффектором является ингибитор, то сродство фермента к субстрату и скорость превращения его в продукт снижаются.

Аллостерические ферменты регулируют скорость метаболических путей, которые представляют собой последовательность взаимосвязанных реакций, катализируемых разными ферментами

Е1 Е2 Е3 Е4

Вещество S превращается в продукт Р в результате 4 последовательных ферментативных реакций. Продукт одной реакции служит субстратом следующей.

Аллостерические ферменты катализируют:

Необратимые или частично обратимые реакции

Самые медленные, ключевые реакции

Реакции в местах разветвления метаболического пути

Регуляторные молекулы:

Конечные продукты метаболических путей

Субстраты метаболических путей

Промежуточные метаболиты или специфические молекулы

Например, катаболизм глюкозы до СО 2 и Н 2 О регулируется аллостерически.

Е1 Е2 Е3 Ем

глюкоза В С М N ….. ……. СО 2 , Н 2 О, АТФ

Значение данного процесса состоит в синтезе АТФ в клетке за счет катаболизма глюкозы. При увеличении отношения АТФ/АДФ скорость реакций данного метаболического пути снижается. Из представленной выше последовательности ферментативных реакций аллостерическим является Е3, так как он катализирует необратимую самую медленную реакцию.

При повышении уровня АТФ в клетке

АТФ взаимодействует с аллостерическим центром фермента Е3

Происходят кооперативные конформационные изменения фермента Е3

Снижается сродство Е3 к субстрату

Понижается активность и замедляется реакция катализируемая ферментом Е3

Понижается скорость метаболического пути