Митохондриальное окисление).

Система митохондриального окисления - мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны и электроны на кислород с образованием молекулы воды.

Все ферменты митохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов-никотинамидная дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует (дыхательную цепь), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата,затем передаются последовательно от одного переносчика к другому,и,наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды.Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке переносчиков.Эта последовательность определяется величиной РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛА(ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА-ОВП)каждого звена.ОВП-это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроныВещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны),вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом.Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий - у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении - в порядке возрастания их ОВП.На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н⁺ и электроны.Протоны остаются временно в окружающей среде,а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О₂.Кислород является конечным акцептором электронов.

O₂ + 4e > 2O^-2 (полное восстановление кислорода)

Все реакции, происходящие в дыхательной цепи,сопряжены. Переносчики водорода и электронов расположены в строгом порядке, в соответствии с величиной их редокс-потенциала.

В настоящее время различают три варианта дыхательных цепей: 1)

ГЛАВНАЯ(ПОЛНАЯ)ЦЕПЬ

УКОРОЧЕННАЯ(СОКРАЩЕННАЯ)ЦЕПЬ

МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ(МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ)ЦЕПЬ.ГЛАВНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ- это три мультиферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. Обозначаются они латинскими цифрами – I, III и IV.

Комплекс I – НАДН-KoQ-редуктаза, комплекс III – KoQH₂-редуктаза, комплекс IV – цитохромоксидаза. Эти комплексы транспортируют водород от никотинамидных дегидрогеназ на кислород. Энергия используется для следующих процессов:

Синтез АТФ.

Получение тепла (особенно важно для бурого жира и для мышечной ткани птиц). Выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).

Мышечная работа (в некоторых случаях). Для человека наиболее важен синтез АТФ.В полной цепи при окислении субстрата два атома водорода переносятся на НАД– кофермент никотинамидных дегидрогеназ,в полной цепи при передаче двух атомов водорода на кислород воздуха,в межмембранном пространстве оказываются 10 протонов,перенесенных сюда из матрикса.Все переносчики встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, кроме никотинамидных дегидрогенказ. потребляют 90-95% кислорода, который используется клеткой.Два атома водорода отнимаются от субстрата и передаются на О₂ с образованием Н₂О Окислительное фосфорилировавние. Синтез АТФ за счет энергии,которая выделяется в системе МтО- ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ. Основная роль АТФ-обеспечение энергией процесса синтеза АТФ.

Очень важной ф-ей цепи дыхательных катализаторов,связанных с внутренней мембраной митохондрий, является аккумуляция части освобвждающийся энергии в фосфатных связях высокоэргических соединений, главным образом АТФ.Процесс сопряжения тканевого дыхания и фосфолирования получил название окислительного фосфорилирования.уменьшение свободной энергии при переносе одной пары электронов от НАДН2 к О2 способно обеспечить синтез36молекул АТФ.Для оценки эффективности работы системы МтО при окислении вычисляют КОЭФФИЦИЕНТ P/O. Он показывает,сколько молекул неорганического фосфата присоединилось к АДФ в расчете на один атом кислорода. Для главной цепи Р/О=3 окиоляется НАД(пируват,малат,изоцитрат,глутамат) укороченной P/O=2 ок-ся ФАД(сукцинат,ЖК) для максимально укороченной P/O=1 аск.к-та

Р/О=0-своб.рад.окисл.

Разобщители:физ-е,пат-е

Система МтО потребляет 90% кислорода,поступающего в клетку.При этом в сутки образуется 62 килограмма АТФ.Но в клетках организма содержится всего 20-30граммов АТФ.Поэтому молекула АТФ в сутки гидролизуется и снова синтезируется в среднем 2500 раз (средняя продолжительность жизни молекулы АТФ - полминуты).

15,16.свободно-рад-е ок-е

На его долю приходится 5-10% кислорода, поступающего в организм. АТФ во внемитохондриальном окислении никогда не образуется.

Существуют 2 типа внемитохондриального окисления:

I. ОКИСЛЕНИЕ ОКСИДАЗНОГО ТИПА.

Ферменты - ОКСИДАЗЫ. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью-железо(Fe),медь(Cu),молибден(Mo).Находятся оксидазы в пероксисомах-особых образованиях эндоплазматического ретикулюма,а также в наружной мембране митохондрий.Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н₂О₂-перекиси водорода. Общая схема: Оксидаз в клетке немного,и субстратов для них тоже мало. Эти ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и невысокой активностью. 1. МОНОАМИНОКСИДАЗЫ -окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины.

2. ДИАМИНОКСИДАЗЫ -окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.

3. ОКСИДАЗА L-аминокислот

4. ОКСИДАЗА D-аминокислот

5. КСАНТИНОКСИДАЗА - окисляет пуриновые азотистые основания(аденин и гуанин)с участием воды.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОКИСЛЕНИЯ ПО ОКСИДАЗНОМУ ТИПУ.

1.Окисляются трудноокисляемые циклические вещества.2.Быстрая инактивация БАВ-биологически активных веществ.3.Образующаяся Н₂О₂ оказывает бактерицидное действие-разрушает клеточные мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.

II. ОКИСЛЕНИЕ ОКСИГЕНАЗНОГО ТИПА

Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий.

Ферменты- ОКСИГЕНАЗЫ. Они активируют молекулу кислорода,а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества.Оксигеназы,включающие один атом кислорода в окисляемое вещество- МОНООКСИГЕНАЗЫ (ГИДРОКСИЛАЗАМИ).

Оксигеназы,включающие два атома кислорода в окисляемое вещество- ДИОКСИГЕНАЗЫ

Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса,встроенного в мембрану.Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов:

1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД.Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН₂.

2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.

3. Цитохром Р₄₅₀. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов,в конце ее происходит активация кислорода.Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р₄₅₀, и на него переносятся электроны,а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА

Кислород–потенциально опасное вещество.Молекулярный кислород О₂ и кислород в составе молекулы Н₂О-стабильные соединения,химически инертные. Они стабильны, потому что внешняя электронная орбита укомплектована электронами.Полное восстановление кислорода происходит на заключительной стадии МтО.Химические соединения,в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления,имеют высокую реакционную способность и называются АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА

Эти соединения образуются:а)в монооксигеназных реакциях-супероксид-анион,который может отщепляться от активного центра цитохрома Р₄₅₀.

б)в оксидазных реакциях-образуется пероксидный анион(присоединяя протоны, превращается в перекись водорода).в) в дыхательной цепи МтО может происходить утечка электронов от каких-либо переносчиков-это явление наблюдается при реоксигенации ишемических тканей.

г)активные формы кислорода могут легко переходить друг в друга.Донорами электронов могут являться металлы переменной валентности.

Супероксид,гидр-й.р,перекись в,пероксинитрит,гипохлорид,оксид а.Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал -сильнейший окислитель.Время его жизни очень короткое,но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования. Супероксиданион и перекись водорода -более стабильные вещества,могут диффундировать от места образования,проникать через мембраны клеток.Гидроксильный радикал может вызывать неферментативное окисление аминокислотных остатков в белке(гистидина,цистеина,триптофана)-так могут инактивироваться многие ферменты,нарушается работа транспортных белков,происходит нарушение структуры азотистых оснований в нуклеиновых кислотах-страдает генетический аппарат клеток.Окисляются жирные кислоты в составе липидов клеточных мембран-нарушаются физико-химические свойства мембран-проницаемость,рецепторная функция,работа мембранных белков.Особенностью реакций с участием гидроксильных радикалов является их цепной характер (гидроксильный радикал не исчезает,а передается).Активные формы кислорода опасны для клетки,поэтому существуют защитные механизмы(в фагоцитах количество образовавшейся перекиси водорода увеличивается только в момент фагоцитоза).Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ.

17.АНТИОКСИДАНТНАЯ СИСТЕМА.

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ

a)КАТАЛАЗА -геминовый фермент,содержащийFe³⁺,катализирует реакцию разрушения перекиси водорода.При этом образуется вода и молекулярный кислород.2Н₂О₂> H₂O + O₂ Каталазы много в эритроцитах-там она защищает гем гемоглобина от окисления. б)СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА- катализирует реакцию обезвреживания двух молекул супероксиданиона,превращая одну из них в молекулярный кислород,а другую-в перекись водорода(менее сильный окислитель,чем супероксиданион).О₂ ^. + О₂ ^. + 2Н⁺> H₂O₂ + O₂

СОД работает в паре с каталазой и содержится во всех тканях.

в) ПЕРОКСИДАЗА-геминовый фермент,восстанавливает перекись водорода до воды,но при этом обязательно идет окисление другого вещества,которое является восстановителем. В организме человека таким веществом является ГЛУТАТИОН-трипептид:гамма-глутамил-цистеил-глицин. Поэтому пероксидазу человеческого организма называют ГЛУТАТИОНПЕРОКСИДАЗА.

SH-группа цистеина, входящего в состав глутатиона,может отдавать 1 атом водорода,а для пероксидазной реакции необходимы 2 атома.Поэтому молекулы глутатиона работают парами.Реакция, катализируемая глутатионпероксидазой:

2Н₂О₂ + 2Г-SH > H₂O + Г-S-S-Г

Регенерация глутатиона идёт с участием НАДФН₂, катализирует ее фермент глутатионредуктаза.

Г-S-S-Г + НАДФН₂> 2Г-SH + НАДФ

Глутатион постоянно поддерживается в восстановленном состоянии в эритроцитах,где он служит для защиты гема гемоглобина от окисления.