Современные представления о биологическом окислении, особенности аэробного метаболизма. Роль кислорода.

Пероксидазный тип окисления

происходит при участии ряда веществ, обладающих аутооксидабельностью. К таким веществам относятся некоторые ФП (ксантиноксидаза и др.) – ФПН2 + О2 à ФП + Н2О2.

Этот тип окисления является побочным путем окисления, обычно наблюдается при выходе из строя цитохромной системы или когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота.

Опишите механизм действия пиридинзависимых дегидрогеназ (механизм действия НАД в окислительно-восстановительных реакциях).

 

Механизм действия НАД и НАДФ. Коферменты НАД и НАДФ работают в клетке только вместе с белковой частью, образуя сложные ферменты дегидрогеназы. Специфичность связывания коферментов НАД и НАДФ с ферментами-белками зависит от адениннуклеотидной части их молекул, в то время как никотинамидная часть этих молекул осуществляет перенос электронов и протонов от окисляемого субстрата. Пиридиновое кольцо никотинамида имеет положительный заряд у четвертичного атома азота (поэтому окисленную форму НАД записывают в виде НАД+). Это вызывает смещение электронной плотности в пиридиновом кольце и появление положительного заряда у атома углерода в параположении. К нему присоединяется гидрид-ион (Н-), образующийся при неравномерном распределении электронов между атомами водорода: 2Н = Н- + Н+. Другой атом водорода, потерявший электрон (Н+), освобождается в окружающую среду, подкисляя ее. В результате образуется восстановленная форма НАД, записываемая в виде НАД.2Н или НАД.Н+Н+.
Дегидрогеназные реакции с участием в качестве коферментов НАД и НАДФ имеют ряд характерных особенностей, которые обусловливают их ключевую роль в процессах биологического окисления. Первая особенность дегидрогеназных реакций - их легкая обратимость при небольших изменениях свободной энергии, что позволяет коферментам участвовать как в окислении субстрата, так и в восстановлении продуктов реакции (в зависимости от потребностей клетки). Вторая особенность заключается в способности этих коферментов (как в окисленной, так и в восстановленной форме) легко отделяться от белка-носителя, их высокой подвижности, что облегчает обмен атомами водорода и электронами между различными дегидрогеназными системами, расположенными в разных частях клетки. Коферменты НАД и НАДФ способны акцептировать водород от большого числа субстратов, окислительно-восстановительный потенциал которых ниже -0,3 В. К числу таких субстратов относятся продукты расщепления углеводов, жиров и различных аминокислот.

Опишите формулы окисленных и восстановленных форм флавиновых коферментов (ФМН, ФАД). Какая часть структуры ФМН и ФАД является акцептором (донором) в переносе электронов и протонов (формулы)? Частью каких комплексов они являются?

Флавиновые ферменты – это сложные ферменты, небелковая часть которых представлена простетическими группами ФМН (флавинаденинмононуклеотид) или ФАД (флавинадениндинуклеотид).
ФМН состоит из изоаллоксазинового кольца, спирта рибитола (вместе они образуют витамин В2 – рибофлавин) и фосфорной кислоты, ФАД содержит дополнительно адениловый нуклеотид. Молекулярная структура ФАД имеет вид:

В отличие от никотинамидных коферментов ФМН и ФАД прочно (ковалентно) связываются с соответствующими дегидрогеназными белками и не отщепляются ни на одной из стадий каталитического процесса. Реакции, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, трудно обратимы, и, следовательно, флавиновые коферменты не могут служить источником водородных атомов в процессах восстановительного биосинтеза, подобно никотинамидным коферментам.

Гормоны и лекарственные вещества как разобщители (механизм их действия).

 

Пероксидазный тип окисления

происходит при участии ряда веществ, обладающих аутооксидабельностью. К таким веществам относятся некоторые ФП (ксантиноксидаза и др.) – ФПН2 + О2 à ФП + Н2О2.

Этот тип окисления является побочным путем окисления, обычно наблюдается при выходе из строя цитохромной системы или когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота.

Современные представления о биологическом окислении, особенности аэробного метаболизма. Роль кислорода.

Современные представления о биологическом окислении
Согласно современной теории БО, окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. В аэробных организмах существует несколько путей использования О₂. Реакции БО необходимы для получения энергии, синтеза новых веществ и разрушения чужеродных веществ. БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения/отщепления: 1) 1 е^-; 2) 2е^- и 2Н⁺; 3) атомов кислорода.
Биологическое окисление (БО) совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают во всех живых клетках. Основная функция БО - обеспечение организма энергией в доступной для использования форме (АТФ).
Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон.
Тканевое дыхание – окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О₂ и выделением воды.
Субстрат тканевого дыхания – это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования.
Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О₂ принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо.
Свободная энергия. Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ∆G. У катаболических реакций ∆G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анболических реакций ∆G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции).

 

3. Объясните схему организации дыхательной цепи (ферментные комплексы, коферменты).

К числу ферментов дыхательной цепи относятся:
1. Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД + и НАДФ+;
2. Флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды), у которых простетической группой служат ФМН и ФАД;
3. Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.

 

4. Редокс-потенциалы и локализация компонентов дыхательной цепи.

 

Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е_о'), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Е_о' выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот.
Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у О₂. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания.

5. Опишите формулы окисленных и восстановленных форм пиридинзависимых коферментов (НАД). Какая часть структуры НАД является акцептором (донором) в переносе электронов и протонов?

Первый тип переносчиков электронов и протонов (ферментов дегидрогеназ) в дыхательной цепи представлен никотинамидными коферментами - НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Они состоят из: азотистых оснований – амида никотиновой кислоты (витамин В₅) и аденина, двух углеводных компонентов – Д-рибозы, двух остатков фосфорной кислоты. НАДФ отличается от НАД наличием еще одной фосфатной группы у 2-го атома углерода аденилового нуклеотида.
Известно более 150 дегидрогеназ, коферментами которых являются НАД или НАДФ. Эти дегидрогеназы называются пиридинзависимыми, поскольку содержат никотинамид – производное пиридина. НАД и НАДФ обнаруживаются во всех типах клеток, причем НАД содержится в значительно больших количествах по сравнению с НАДФ. Дегидрогеназы, связанные с НАД, принимают участие, главным образом, в процессе дыхания (т.е. в переносе протонов и электронов от субстратов к кислороду), тогда как дегидрогеназы, связанные с НАДФ, участвуют преимущественно в переносе протонов и электронов от субстратов к восстановительным реакциям биосинтеза.