Презентация - Биоэнергетика

Биоэнергетика Доцент Гончарова Л. В.

План Цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование; Окислительно-восстановительный потенциал; Переносчики электронов дыхательной цепи Сопряжение окисления и фосфорилирования Ингибирование окислительного фосфорилирования Разобщение окислительного фосфорилирования Бурая жировая ткань Активные формы кислорода

Цикл превращений АТФ АТФ универсальный переносчик энергии для клеток; аутотрофы трансформируют энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ; катаболизм органических веществ в клетках гетеротрофов приводит к освобождению энергии и запасанию её в виде АТФ; АТФ используется клетками для различных процессов, требующих энергии.

Роль окислительно-восстановительных процессов в метаболизме Основной путь получения энергии гетеротрофами - окисление органических веществ путем дегидрирования. НАД собирает электроны, освобождающиеся в процессе катаболизма в реакциях восстановительного синтеза используются НАДФ H H .

Коферменты никотиновой кислоты и никотинамида Существуют два кофермента никотиновой кислоты и никотинамида: НАД и НАДФ ; НАД и НАДФ - двухэлектронные переносчики; Они переносят гидрид ионы к и от субстратов.

Сравнение степеней окисления атомов углерода в биомолекулах

Окислительно-восстановительные реакции Окислительно-восстановительные реакции включают транспорт электронов, каждая из реакций состоит из двух сопряженных полуреакций: А(окисленный) В(восстановленный) В(окисленный) А(восстановленный) Окисление – процесс потери электронов. Восстановление – процесс присоединения электронов. В уравнении А является акцептором электронов, В – донор электронов.

Окислительно-восстановительный потенциал. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (редокс потенциал ) для полуреакций – электрический потенциал (E 0 ') в вольтах, измеряемый в течение реакций в стандартных условиях. Для сравнения используется водородный электрод.

Стандартные условия: - р Н 7; температура 25 0 С; концентрация растворенных веществ 1моль; атмосферное давление 1 атм.

Аппарат для измерения стандартного окислительно-восстановительного потенциала

Полуреакции E 0 ' (volts) Ацетат 2H 2e - Ацетальдегид -0.60 НАД 2H 2e - НАД H H -0.32 Свободный ФАД 2H 2e - Свободный ФАД H 2 -0.18 Пируват 2H 2e - Лактат -0.19 Фумарат 2H 2e - Сукцинат 0.03 Цитохром c(Fe 3 ) e - Цитохром c (Fe 2 ) 0.25 1/2 O 2 2H 2e - H 2 O 0.82

Уравнение расчета энергии переноса 2е от НАДН Н к О 2 . G o ' -n F E o ' где G - стандартная свободная энергия реакции; n - число электронов; F - число Фарадея; E - разность между значениями окислительно-восстановительных потенциалов исходных веществ и продуктов реакции .

Уравнение расчета энергии переноса 2е от НАДН Н к О 2 . E НАДН/ О 2 (О,82-(- О,32) 1,14. G 2 23,065 1,14 52,6 ккал/моль или 220 к Дж/моль. Величина - теоретически достаточна для синтеза 7 АТФ, но синтезируется не более 3- х.

Строение дыхательной цепи

Строение дыхательной цепи Четыре белковых комплекса расположены во внутренней митохондриальной мембране Жирорастворимый кофермент кофермент Q и водорастворимый цитохром c перемещаются между белковыми комплексами Энергия электронов при их движении по дыхательной цепи снижается

Комплекс I НАДН-Ко Q редуктаза Переносит электроны от НАДН к коферменту Q Состоит из более 30 субъединиц масса- 850 k D Путь движения электронов NADH FMN Fe-S UQ Fe S UQ Четыре протона H переходят в межмембранное пространство при переносе 2 -х электронов

Рибофлавин (витамин В 2 ) Молекула содержит спирт рибитол и флавин или изоаллоксазиновое кольцо Активные формы витамина – ФМН и ФАД ФМН и ФАД не являются настоящими нуклеотидами, однако традиционные названия до сих пор существуют

Флавиновые коферменты ФМН и ФАД – одно и двухэлектронные переносчики Название флавин происходит от латинского flavius , что означает желтый Окисленная форма (хинон) является желтой, полухинон – голубой, восстановленная форма не окрашена

ФМН

Комплекс II ( сукцинат-кофермент Q редуктаза ) сукцинатдегидрогеназа – фермент цикла Кребса; сукцинатдегидрогеназа – ФАД-зависима; Содержит четыре субъединицы, включая два железосерных центра ( Fe-S ); Содержит три типа Fe-S центров : 4Fe-4S, 3Fe-4S, 2Fe-2S Передача электронов : сукцинат ФАДН 2 2Fe 2 коэнзим QH 2 Суммарная реакция : сукцинат коэнзим Q фумарат коэнзим QH 2

ФАД

Типы железо-серных центров

Убихинон

Комплекс III коэнзим Q -цитохром с редуктаза коэнзим Q передаёт электроны на -цитохром с и выкачивает протоны в межмембранное пространство в уникальном цикле, называемом Q циклом; главным белком этого комплекса является цитохром b с гемами bl и b н; цитохромы, как и железосерные центры являются одноэлектронными переносчиками; коэнзим Q – жирорастворимый переносчик электронов; цитохром с – водорастворимый переносчик электронов.

Комплекс IV цитохром с оксидаза Электроны с цитохрома с используются для четырехэлектронного восстановления молекулы кислорода, что приводит к образованию двух молекул воды; кислород конечный акцептор электронов в дыхательной цепи; цитохром с оксидаза использует два гема (а и а 3 ) и два иона меди; структура комплекса до конца не изучена; комплекс IV также транспортирует протоны водорода.

Сопряжение транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Много исследователей пытались найти «высокоэнергетический посредник»; Питер Митчелл предложил необычную идею: протонный градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану может быть использован для синтеза АТФ; Митчелл был осмеян, но хемиоосмотическая гипотеза позволила ему получить Нобелевскую премию.

Q цикл Происходит передача двух электронов с восстановленной формы коэнзима Q : один на цитохром с, другой на коэнзим Q , образуя полухинон . Вновь образованный коэнзим Q диффундирует и замещается новой молекулой QH 2 , которая тоже отдает электроны: один на второй цитохром с, второй на полухинон. Транспорт второго электрона сопровождается выкачиванием двух протонов из матрикса.

Гипотеза Митчелла

Основные положения теории Митчелла. Перенос электронов по дыхательной цепи от НАД. Н Н к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а р Н меньше, чем в матриксе. Каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал Н – источник энергии для синтеза АТФ.

Протонный градиент и АТФ синтаза

АТФ синтаза

Конформационные изменения АТФ синтазы

Резюме Дыхательная цепь- путь переноса протонов и электронов от органических веществ на кислород воздуха Это система переносчиков, структурно закрепленная в мембране митохондрий и расположенных в соответствии со своими редокс – потенциалами. В процессе переноса электронов по дыхательной цепи создаётся протонный градиент; Окислительное фосфорилирование: поступление протонов обратно в матрикс приводит к синтезу АТФ

Ингибиторы окислительного фосфорилирования Ротенон (рыбий яд) ингибирует комплекс I ; Цианиды, азиды и угарный газ ингибируют комплекс IV , взаимодействуя с ферри формой цитохрома а3; олигомицин и дициклогексокарбодиимид ингибируют АТФ синтазу.

Разобщители Разобщение потока электронов и окислительного фосфорилирования происходит при нарушении протонного градиента; Разобщители являются гидрофобными молекулами, способными диссоциировать; Они перемещаются через мембрану, переносят протоны из межмембранного пространства обратно в матрикс, нарушая протонный градиент.

АТФ-АДФ транслоказа В большинстве клеток синтез основного количества АТФ происходит в митохондриях, а основные потребители АТФ расположены вне её; В мембране есть белок АТФ/АДФ-антипортер, осуществляющий перенос этих метаболитов через мембрану; Молекула АДФ поступает в митохондриальный матрикс только при условии выхода молекулы АДФ из матрикса; Движущая сила такого обмена - мембранный потенциал переноса электронов по ЦПЭ; На транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти свободной энергиипротонного потенциала.

Коэффициент P/O Означает сколько молекул АТФ синтезируется при передаче пары электронов от субстрата на кислород; Транспорт e - по дыхательной цепи от НАД к кислороду сопровождается синтезом 3 АТФ; Транспорт e - по дыхательной цепи от ФАД к кислороду сопровождается синтезом 2 АТФ.

Активные формы кислорода. Кислород является потенциально токсическим веществом. Токсичность может возрастать в результате неполного восстановления молекулы кислорода в супероксидный радикал (О 2 - ), который высокотоксичен и может повреждать ДНК, белки и липиды мембран. Супероксид ион опосредует процессы старения.

Супероксид ион Супероксид ион может образовываться в митохондриях при реакции кислорода с восстановленными ФАД или убихиноном. Детоксикация О 2 - : 2О 2 - 2Н Н 2 О 2 О 2

Механизм действия супероксиддисмутазы

Пероксид водорода Н 2 О 2 так же токсичен и разрушается пероксидазой в следующей реакции: 2Н 2 О 2 2Н 2 О О 2 а. Наиболее распространенная пероксидаза - гемсодержащий фермент каталаза. б. В эритроцитах, глутатион пероксидаза, селенсодержащий фермент, катализирует реакцию, сопутствующую окислению восстановленного глутатиона. в. Витамин С и витамин Е, также принимают участие в детоксикации супероксидного иона и других потенциально опасных свободных радикалов.

Биологическое окисление