- •Введение
- •Катаболизм (распад) основных пищевых веществ - углеводов, жиров, белков (аминокислот).
- •Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с процессом окислительного фосфорилирования
- •Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса
- •Цикл лимонной кислоты
- •Реакции цикла трикарбоновых кислот
- •Зависимость цикла трикарбоновых кислот от недостатка кислорода
- •Регуляция общего пути катаболизма
- •Механизмы регуляции цитратного цикла
- •Анаболические функции цикла лимонной кислоты
- •Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и протонов.
- •Макроэргические соединения
- •Дегидрирование субстратов и окисление водорода (образование воды) как источник энергии для синтеза атф
- •Митохондриальная цепь переноса электронов
- •Компоненты дыхательной цепи
- •Переносчики электронов
- •Система цитохромов дыхательной цепи, убихинол-дегидрогеназа (цитохром с редуктаза). Цитохром с оксидаза.
- •Структурная организация дыхательной цепи
- •Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма энергии при окислительном фосфорилировании
- •Структурная организация цепи переноса электронов
- •Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль).
Введение
Жизнь на Земле существует благодаря солнечному свету. Свет является источником энергии для растений. Энергия света в растениях в процессе фотосинтеза используется для синтеза органических соединений из СО2 и воды. Фотосинтез это сложный многоступенчатый процесс, однако, он имеет простой химический баланс. Из 6 молекул СО2 синтезируется молекула гексозы (глюкозы или фруктозы). Необходимый для процесса восстановления водород извлекается из воды. Кислород (О2) при этом является побочным продуктом фотосинтеза и поступает в атмосферу.
В первой части фотосинтеза (световые реакции) происходит расщепление воды с образованием протонов, электронов и атома кислорода под действием солнечного света. Два электрона и один протон, получив энергию квантов света, присоединяются к молекуле НАДФ+ и превращают её в НАДФН. В ходе поглощения квантов световой энергии также синтезируется молекула АТФ.
Вторая часть фотосинтеза не требует притока света (темновые реакции). Из СОг, электронов, получаемых от НАДФН и энергии АТФ синтезируются углеводы - глюкоза, фруктоза или полимер глюкозы крахмал. Первый и наиболее важный этап этого процесса - перенос высокоэнергетических электронов на СОг с восстановлением углерода в молекуле СО2. Так возникает одноуглеродный фрагмент НСОН , характерный для моносахаридов. Затем синтезируется глюкоза (С6Н12О6) в реакциях аналогичных полимеризации формальдегида до углеводов по Бутлерову.
Таким образом, эти молекулы включают в себя электроны высокой энергии. После поступления углеводов в организм человека с пищей эти электроны извлекаются в катаболических процессах. Их энергия используется по двум направлениям :
синтез АТФ (который является универсальным источником энергии для большого числа энергозависимых процессов);
прямой перенос электронов в новые, синтезирующиеся связи (главным образом при синтезе липидов).
Катаболизм (распад) основных пищевых веществ - углеводов, жиров, белков (аминокислот).
В системе пищеварения основные классы молекул - белки, липиды и углеводы подвергаются ферментативному гидролизу и расщепляются до аминокислот, жирных кислот и глицерола, а также аминокислот соответственно. После их всасывания, транспорта и распределения по всем клеткам организма начинаются специфические пути катаболизма. Специфические пути катаболизма Жирные кислоты в процессе |3-окисления (в митохондриях) превращаются в ацетил-КоА. Глицерол через стадию глицеральдегида превращается в глицеральдегид-3-фосфат и поступает в гликолиз. Моносахариды, поступая в клетку, преобразуются в форму глюкозы, а затем вступают в гликолиз в цитозоле.
Аминокислоты, после удаления аминогруппы, превращаются в кето-кислоты. Первая реакция распада аминокислот это отделение аминогруппы. Часть аминокислот (1) затем превращается в пируват (они называются гликогенные), часть в молекулу ацетил-КоА (2) (они называются кетогенные) и промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (3). Специфическими путями катаболизма называют внутриклеточное превращение жирных кислот, моносахаров и аминокислот в универсальные молекулы пирувата и ацетил-КоА. Общий путь катаболизма. Этот путь начинается с пирувата, который превращается в молекулу ацетил-КоА под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях.
Затем молекула ацетил-КоА подвергается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот, где из неё извлекаются высокоэнергетические электроны. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН2 вовлекаются
Особенностью ферментов и белков комплекса является то, что все ферменты и белковые компоненты мультиферментного комплекса кодируются в ядерной ДНК и синтезируются в цитозоле. После их поступления в митохондриальный матрикс (при этом затрачивается энергия АТФ и протонного градиента) они подвергаются финальному фолдингу с помощью митохондриальных шаперонов, приобретают функциональную активность и объединяются в мультиферментный комплекс.
Последовательность реакций в пируватдегидрогеназном комплексе. В этом комплексе происходит преобразование пирувата в ацетил-КоА, содержащего макро-эргическую тиоэфирную связь и удаление из пирувата 2-х высокоэнергетических электронов в составе молекулы НАДН.
Для превращения пирувата в ацетил-КоА необходимы 5 реакций (1-5 на рис.3). 1. Реакция декарбоксилирования пирувата.
Значение декарбоксилирования пирувата в отношении извлечения энергии из молекулы исключительно велико. Три углеродных атома пирувата имеют разную степень окисления. Углерод метильной группы (-СНз) не окислен и, следовательно, в дальнейшем при его окислении можно получить полезную энергию. Углерод кето-группы (>С=О) окислен частично. При его дальнейшем окислении можно также извлечь некоторое количество дополнительной энергии. А углерод карбоксильной группы окислен почти полностью. Поэтому карбоксильная группа это до некоторой степени балластная часть молекулы с позиции извлечения энергии. Её необходимо удалить. Удаление карбоксильной группы (т.е. реакцию декарбоксилирования) катализирует фермент пируватдегидрогеназа в активном центре которого локализован тиаминдифосфат - кофермент декарбоксилирования.
1. В активном центре фермента происходит прямое взаимодействие двух атомов углерода с образованием между ними ковалентной связи. Это взаимодействие обусловлено частичными разноименными зарядами, которыми обладают углерод кето-группы пирувата с одной стороны и атом углерода тиазолового кольца тиа-минпирофосфата с другой.
На этой стадии Ei (пируватдегидрогеназа) переносит атом водорода и двухуг- леролеродный ацетильный фрагмент (СН3-СО-) на молекулу липоевой кислоты, локализованную в активном центре фермента Е2 (дигидролипоамидацетилтранс- феразы). При этом в активном центре фермента образуется ацетилтиоэфир липое вой кислоты.
В этой реакции KoA-SH атакует тиоэфирную связь в активном центре фермента Е2, разрывает её и присоединяет к себе двухуглеролеродный ацетильный фраг мент (СНз-СО-). Происходит образование ацетил~КоА, который покидает актив ный центр фермента Е2 (дигидролипоамидацетилтрансферазы). При этом оба ато ма серы липоевой кислоты полностью восстановлены.
В этой реакции фермент Е3 (дигидролипоамиддегидрогеназа) катализирует пе ренос двух атомов водорода с восстановленной липоевой кислоты, находящейся в активном центре фермента Е2 на кофермент ФАД, локализованный в своём актив ном центре. При этом в активном центре фермента Е3 образуется ФАДН2.
В активный центр дегидрогеназы (Е3) пируватдегидрогеназного комплекса вхо дит НАД+ и присоединяет к себе 2 электрона и протон от кофермента ФАДН2 и в форме НАДН переносит их в процесс окислительного фосфорилирования.