81451

Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза

Доклад

Биология и генетика

Электроны обладающие высоким энергетическим потенциалом передаются от восстановленных коферментов NDH и FDH2 к кислороду через цепь переносчиков локализованных во внутренней мембране митохондрий. Они катализируют реакции типа: RCHOHR1 ND↔ RCOR1 NDH Н. Однако возможно включение электронов с NDPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы катализирующей реакцию: NDPH ND NDP NDH. К FMNсодержащим ферментам принадлежит NDHдегидрогеназа которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она...

Русский

2015-02-20

152.07 KB

17 чел.

Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза.

Энергия освобождается в процессе ферментативного окисления метаболитов специфическими дегидрогеназами. В реакциях дегидрирования электроны и протоны переходят от органических субстратов на коферменты NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ. Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных коферментов NADH и FADH2 к кислороду через цепь переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Восстановление молекулы О2 происходит в результате переноса 4 электронов. При каждом присоединении к кислороду 2 электронов, поступающих к нему по цепи переносчиков, из матрикса поглощаются 2 протона, в результате чего образуется молекула Н2О.

Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевым дыханием, а цепь переноса электронов (ЦПЭ) - дыхательной цепью.

Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ, а часть энергии рассеивается в виде тепла. Кроме того, электроны с высоким энергетическим потенциалом, возникающие при окислении различных субстратов, могут быть использованы в реакциях биосинтеза, для которых помимо АТФ требуются восстановительные эквиваленты, например NADPH.

Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нём участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего компонента и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление О2 и синтез Н2О. В дыхательную цепь митохондрий входит большое число переносчиков.

За исключением убихинона (KoQ), все компоненты ЦПЭ - белки. В составе этих белков содержатся различные небелковые компоненты: FMN, Fe в составе железо-серных белков и в составе порфириновых колец, ионы Сu.

 Первичные акцепторы водорода .Первичные акцепторы водорода окислительно-восстановительных реакций относят к 2 типам дегидрогеназ: никотинамвдзависимым, содержащим в качестве коферментов производные никотиновой кислоты, и флавинзависимым, содержащим производные рибофлавина .

Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD+ или NADP+ (см. раздел 2). NAD+ и NADP+ - производные витамина PP. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид.

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD+. Они катализируют реакции типа:

R-CHOH-R1 + NAD+↔ R-CO-R1 + NADH + Н+.

Таким образом, NAD+, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ. NADPH не является непосредственным донором электронов в ЦПЭ, а используется почти исключительно в восстановительных биосинтезах . Однако возможно включение электронов с NADPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы, катализирующей реакцию:

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В2. Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система.

FAD служит акцептором электронов от многих субстратов в реакциях типа:

R-CH2-CH2-R1 + Е (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + Е (FADH2),

где Е - белковая часть фермента.

Большинство FAD-зависимых дегидрогеназ - растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Исключение составляет сукцинат-дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. К FMN-содержащим ферментам принадлежит NADH-дегидрогеназа, которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она окисляет NADH, образующийся в митохондриальном матриксе.

Цепь переноса электронов от NADH и FADH2 на кислород Перенос электронов от NADH к О2 включает ряд переносчиков, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий. За исключением убихинона и цитохрома С, это сложные белковые комплексы.

NADH-дегидрогеназа (NADH-Q-редуктаза, комплекс I) состоит из нескольких полипептидных цепей. Роль простетической группы играет FMN. Единственный субстрат фермента - NADH, с которого 2 электрона и протон переносятся на FMN с образованием FMNH2. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению:

NADH + Н+ + Е (FMN) → NAD+ + Е (FMNH2)

С FMNH2 электроны переносятся затем на ряд железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы. Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в несколько групп, так называемых железо-серных центров. FeS-центры входят в состав многих белков (флавопротеинов, цитохромов), участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Известны 3 типа FeS-центров (FeS, Fe2S2, Fe4S4), в которых атом железа связан с атомом серы остатков цистеина или неорганической серы. NADH-дегидрогеназа содержит несколько центров типа Fe2S2 и Fe4S4 Атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны поочерёдно, переходя в ферро- (Fe2+) и ферри- (Fe3+) состояния. От железо-серных центров электроны переносятся на кофермент Q (убихинон).

Обозначение этого жирорастворимого хинона происходит от первой буквы английского названия хинона (quinone), а название убихинон отражает его широкую распространённость в природе (ubiquitous - вездесущий). Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q10. В процессе переноса электронов с NADH-дегидрогеназы через FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы. Убихинон участвует в реакциях типа:

Е (FMNH2) + Q → Е (FMN) + QH2.

Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах организмов. В клетках эукариотов они локализованы в митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30 различных цитохромов. Все цитохромы в качестве простетической группы содержат гем . Их многообразие обусловлено:

  1.  различием боковых цепей в структуре тема;
  2.  различием в структуре полипептидных цепей;
  3.  различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в определённой части спектра все цитохромы делят на группы а, b, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (b, b1, b2 и т.д.).

Структурные особенности разных видов цитохромов определяют различие в их окислительно-восстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а3, b, с, с1). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов.

QН2-дегидрогеназа (коэнзим Q-цитохром с-ре-уктаза, комплекс III) состоит из 2 типов цитохромов (b1 и b2) и цитохрома с1. QН2-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с. Внутри комплекса III электроны передаются от цитохромов b на FeS-центры, на цитохром с1, а затем на цитохром с. Группы тема, подобно FeS-центрам, переносят только по одному электрону. Таким образом, от молекулы QH2 2 электрона переносятся на 2 молекулы цитохрома b. В качестве промежуточного продукта в этих реакциях переноса электронов возможно образование свободного радикала се-михинона. В цитохромах типа b гем не связан ковалентно с белком, а в цитохромах с1 и с он присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей. Эти связи образуются путём присоединения 2 цистеиновых остатков к винильным группам гема.

Цитохром С - периферический водорастворимый мембранный белок с молекулярной массой 12 500 Д, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков, и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) состоит из 2 цитохромов типа аа3 каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а3 имеют характерную железопорфириновую простетическую группу, называемую гемом А и отличающуюся от гема цитохромов с и c1. Он содержит формильную группу вместо одной из метальных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп. Другая особенность комплекса а-а3 - наличие в нём ионов меди, связанных с белковой астью в так называемых CuA-центрах. Перенос электронов комплексом а-а3 включает реакции:

Cu+ ↔ Cu2+ + e, Fe2+ ↔ Fe3+ + e.

Комплекс цитохромов а-а3 непосредственно реагирует с молекулярным кислородом.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85368. Характерні особливості типів акцентуацій 35.92 KB
  Акцентуації це типологічні особливості характеру які виявляються іноді настільки яскраво що можуть бути досить близькі до психопатіям іншими словами патологічним аномалій. На відміну від психопатій для акцентуацій не характерна тріада показників психопатії: стабільність рис характеру в перебігу життя спільність проявів характеру в будьяких випадках соціальна дезадаптація. Акцентуації особливо виражені в період формування характеру з віком вони згладжуються. Особливості характеру при акцентуації можуть бути зовсім непомітні в...
85369. Специфіка вживання алкоголю і наркотиків у підлітковому віці 37.17 KB
  Це обумовлено тим що пияцтво підлітків наркоманія чи токсикоманія завжди повязані з іншими порушеннями поведінки. Адиктвна поведінка є складовим елементом поведінки що відхиляється як би нашаровуючись на соціальну дезадаптацію підлітка. Дитячі психіатри вважають що у підлітків практично неможливо розмежувати ситуаційні порушення поведінки і прояви починається захворювання. Подруге проявом суто вікової особливості негативізму як крайнього прояви реакції емансипації або однією з форм пошукового поведінки.
85370. Визначення поняття «характер» і «акцентуації характеру» в психології 41.51 KB
  Підлітки цього типу відрізняються рухливістю товариськістю схильністю до бешкетування. Підлітки гіпертимного типу часто переоцінюють свої здібності бувають надто самовпевненими прагнуть показати себе похвалитися.
85371. Елементи психотерапії в роботі логопеда 38.5 KB
  Логопед повинен зустріти дитину надзвичайно дружелюбно і показати йому кімнату в якій вони будуть займатися все що в ній знаходиться насамперед іграшки. Помітивши що найбільше дитині сподобалося педагог дає йому річ яка його зацікавила і якщо дитина не заперечує підключається до його гри на рівних. Коли ви перебуваєте праворуч ви допомагаєте йому просуватися в потрібному напрямку до результатів яких ви обидва чекаєте; Займайте позицію Левелінга на рівні очей дитини він на стільці ви на стільчику він на підлозі і ви на...
85372. Девіантна поведінка та причини її виникнення та прояву 39.73 KB
  На сьогоднішній день найпоширенішими видами девіантної поведінки серед підлітків є: злочинність алкоголізм наркоманія токсикоманія суїцид. Існують різноманітні взаємоповязані фактори що обумовлюють генезис девіантної поведінки. Індивідуальний фактор який діє на рівні психобіологічних передумов девіантної поведінки та ускладнює соціальну і психологічну адаптацію індивіда. Психологічний фактор який розкриває несприятливі особливості взаємодії індивіда з оточенням і який проявляється в активновибірковому ставленні індивіда до середовища...
85373. Вади мовлення та причини її порушення. Будова мовного апарату 49.5 KB
  Необхідно враховувати що 3 останніх дефекту часто є лише сприяючим моментом до появи дефектів звуковимови так як у фізично і психічно здорової дитини при правильному мовному вихованні в більшості випадків знаходяться природні шляхи компенсації такого дефекту. У доопераційний період у дитини готують до операції мязи і тканини виробляють навик направляти повітряний струмінь через рот викликають можливі звуки; в післяопераційний період йде постановка звуків. Зустрічаються і більш складні мовні порушення в яких недоліки звуковимови є лише...
85374. Психокорекційна та профілактична робота з дітьми, які мають мовні порушення 34.15 KB
  У дітей з мовними порушеннями в порівнянні з віковою нормою спостерігається зниження пізнавальної діяльності та входять до її структури процесів: менший обсяг запамятовування і відтворення матеріалу нестійкість уваги швидка відволікання виснаженість психічних процесів зниження рівня узагальнення і осмислення дійсності; у них утруднена розгорнута звязна мова.
85375. Профілактика порушень слуху 39.23 KB
  Групи ризику дітей першого року життя по приглухуватості і глухоті: діти що народилися від багатоплідної вагітності; діти з масою тіла менше 15 кг; діти матері яких перенесли під час вагітності краснуху герпетичну інфекцію цитометоловірусну інфекцію; діти матері яких приймали під час вагітності ототоксичні препарати; діти що отримували в період новонародженості за вітальними свідченнями антибіотики ряду аміноглікозидів; діти слабочуючих або глухих батьків; діти з родовими травмами і внутрічерепним крововиливом. Ці діти...
85376. Предмет, завдання і методи логопедії та логопсихології 38.25 KB
  Найточнішим на сьогодні вважається таке визначення цієї науки: логопсихологія це галузь спеціальної психології в якій вивчається своєрідність психічного розвитку осіб з вадами мовлення первинного походження а також розробляються принципи і методи психокорекційної роботи з ними. Основною метою спеціального психологічного супроводу в системі освіти осіб з порушеннями мовлення є виявлення усунення і попередження дисбалансу між процесами навчання і розвитку цієї категорії та їх потенційними можливостями. З огляду на визначення логопсихології...