Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Января 2014 в 00:37, реферат
В цикл Кребса включается одна молекула ацетил-КоА, которая в реакции с оксалоацетатом, катализируемой цитратсинтетазой, приводит к образованию лимонной кислоты и свободного коэнзима А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы превращается в цис-акотиновую и изолимонную кислоты. Изолимонная кислота через щавелевоянтарную кислоту превращается в α-кетоглутаровую кислоту, которая подвергается дальнейшему декарбоксилированию.
1. Понятие «аэробное дыхание», цикл Кребса.
2. Понятие о механизме окислительного фосфорилирования
3. Компоненты дыхательной цепи
4. Синтез молекул АТФ в дыхательной цепи бактерий и дрожжей.
Тема «Аэробное дыхание»
1. Понятие «аэробное дыхание», цикл Кребса.
2. Понятие о механизме окислительного фосфорилирования
3. Компоненты дыхательной цепи
4. Синтез молекул
АТФ в дыхательной цепи
1. Аэробное дыхание, цикл Кребса.
Аэробное дыхание – это основной процесс энергетического метаболизма многих прокариот, при котором донором водорода или электронов являются органические (реже неорганические) вещества, а конечным акцептором – молекулярный кислород. Основное количество энергии при аэробном дыхании образуется в электронтранспортной цепи, т. е. в результате мембранного фосфорилирования.
Рассмотрим схему аэробного дыхания (рис. 1).
Рис. 1. Схема аэробного дыхания
Пировиноградная кислота, образующаяся в одном из трех путей катаболизма глюкозы, окисляется с участием коэнзима А до ацетил-КоА. В данном процессе работают ферменты пируватдегидрогеназы:
СН3-СО-СООН + КоА-SН + НАД+ → СН3-СО~КоА + НАД · Н2 + СО2
Ацетил-КоА является исходным субстратом цикла Кребса (ЦТК).
В цикл Кребса включается одна молекула ацетил-КоА, которая в реакции с оксалоацетатом, катализируемой цитратсинтетазой, приводит к образованию лимонной кислоты и свободного коэнзима А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы превращается в цис-акотиновую и изолимонную кислоты. Изолимонная кислота через щавелевоянтарную кислоту превращается в α-кетоглутаровую кислоту, которая подвергается дальнейшему декарбоксилированию.
В конечном итоге, окисление ацетил-КоА в ЦТК приводит к образованию (рис. 2):
- двух молекул СО2;
- одной молекулы АТФ;
- восьми атомов водорода, из которых шесть атомов связаны в молекулах пиридиннуклеотидов и два атома – в молекулах флавопротеинов.
Таким образом, ЦТК можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение:
1) Основная функция его заключается в том, что это - совершенный клеточный «котел», в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в него органического субстрата и отщепление водорода.
2) Другая функция цикла – обеспечивает биосинтетические процессы клетки различными предшественниками, такими как оксалоацетат, сукцинат, α-кетоглутарат и др. Отсутствие этих кислот привело бы к нехватке оксалоацетата, который служит акцептором для ацетил-СоА и, тем самым, к
Рис. 2 Цикл Кребса
нарушению цикла. Обычно ЦТК является дальнейшей «надстройкой» над анаэробными энергетическими механизмами клетки.
У некоторых бактерий ЦТК «разорван». Наиболее часто отсутствует этап превращения α-кетоглутаровой кислоты в янтарную. В таком виде ЦТК не может функционировать в системе энергодающих реакций клетки. Основная функция «разорванного» ЦТК – биосинтетическая.
Образовавшиеся
на разных этапах окисления органических
веществ восстановительные
2. Понятие о механизме окислительного фосфорилирования
Транспорт водорода с участием компонентов дыхательной цепи сопровождается протеканием ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из них выделяется достаточно энергии для образования АТФ и такой процесс носит название окислительного фосфорилирования.
Аэробные прокариоты обладают особым аппаратом: дыхательной (электрон-транспортной) цепью и ферментом ATФ-синтазой; обе системы у прокариот находятся в плазматической мембране, а у эукариот - во внутренней мембране митохондрий. Ведущие свое происхождение от субстратов восстановительные эквиваленты (Н+ или электроны) в этих мембранах поступают в дыхательную цепь, и электроны переносятся на 02 (или другие терминальные акцепторы электронов). В дыхательной цепи происходят реакции, представляющие собой биохимический аналог сгорания водорода. От химического горения молекулярного водорода они отличаются тем, что значительная часть свободной энергии переводится при этом в биологически доступную форму, т. е. в АТФ, и лишь небольшая доля рассеивается в виде тепла.
Рис. 3 Схема окислительного фосфорилирования в плазматической мембране бактериальной клетки и во внутренней мембране митохондрий: А – окисление НАДН2 и выведение протонов. Б – электрохимический градиент между внутренней и наружной сторонами. В - Регенерация АТФ как следствие обратного тока протонов.
Механизм окислительного фосфорилирования. Отданные субстратами восстановительные эквиваленты (протоны и электроны) переносятся на плазматическую мембрану бактерий или на внутреннюю мембрану митохондрий эукариот. Через мембрану они транспортируются таким образом, что между внутренней и внешней стороной мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда возникает благодаря определенному расположению компонентов дыхательной цепи в мембране (рис. 3).
Некоторые из этих
компонентов переносят
Неравновесное распределение зарядов, т.е. электрохимический градиент, служит движущей силой для процесса регенерации АТФ (и других процессов, требующих затраты энергии). Мембрана содержит специальный фермент АТФ-синтазу, который катализирует превращение АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Этот фермент поступает из мембраны с ее внутренней стороны. А в процессе синтеза АТФ протоны переходят обратно с наружной стороны мембраны на внутреннюю. Синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилированием в дыхательной цепи.
Для того чтобы понять механизм аэробного дыхания, необходимо знать: 1) компоненты дыхательной цепи, 2) их окислительно-восстановительные потенциалы, 3) их взаиморасположение в мембране.
3. Компоненты дыхательной цепи
Компонентами дыхательной цепи являются ферментные белки с относительно прочно связанными низкомолекулярными простетическими группами. Такие комплексы у эукариот локализуются во внутренней стороне мембраны митохондрий, а у прокариот – в плазматической мембране. Механизм действия и локализация компонентов дыхательной цепи в тех и других мембранах во многом сходны.
Компоненты дыхательной цепи погружены в двойной липидный слой. Речь идет о большом числе ферментов, коферментов и простетических групп, различных дегидрогеназ и транспортных систем, участвующих в переносе электронов и водорода. Белковые компоненты могут быть выделены из мембраны. Дыхательные цепи микроорганизмов состоят из следующих важнейших, локализованных в мембране, переносчиков атомов водорода или электронов: флавопротеинов, железосерных белков, хинонов и цитохромов.
Флавопротеины – коферменты, в состав которых входит витамин В2, а в качестве простетических групп в них выступают флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД).
Флавопротеины осуществляют перенос атомов водорода, т. е. являются дегидрогеназами. Дегидрогеназа, которая содержит в качестве простетической группы ФМН, является НАДФ · Н2-дегидрогеназой. Это стартовый переносчик в дыхательной цепи, осуществляющий перенос водорода с НАДФ · Н2 на следующие компоненты дыхательной цепи. Дегидрогеназа, содержащаяся в качестве простетической группы ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной кислоты в фумаровую в ЦТК. Атомы водорода от ФАД · Н2 поступают сразу на хиноны, локализованные на последних этапах электронтранспортной цепи.
Железосерные белки (FeS-белки) содержат железосероцентры, в которых атомы железа связаны, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой – с неорганической сульфидной серой (рис. 4).
Железосероцентры входят в состав некоторых флавопротеинов (например, сукцинатдегидрогеназы и НАДФ · Н2-дегидрогеназы), или же служат в качестве единственных простетических групп белков. Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров. Железосероцентры, в зависимости от строения, могут осуществлять одновременный перенос одного или двух электронов, что связано с изменением валентности атомов железа.
Рис. 4. Железосероцентры (FeS-центры) белков
Хиноны – жирорастворимые соединения. У грамотрицательных бактерий они представлены убихиноном (кофермент Q) или менахиноном (рис. 5).
Рис. 5. Хиноны грамотрицательных бактерий: А – кофермент Q (убихинон); Б – менахинон
Хиноны липофильны и поэтому локализуются в липидной фазе мембраны. Они переносят атомы водорода. По сравнению с другими компонентами дыхательной цепи, хиноны содержатся в 10–15-кратном избытке. Они служат «сборщиками» водорода, поставляемого различными коферментами и простетическими группами в дыхательной цепи, и передают его цитохромам. Таким образом, они функционируют в дыхательной цепи на участке между флавопротеинами и цитохромами.
Цитохромы принимают участие на заключительном
этапе в цепи переноса электронов. К ним
электроны поступают от хинонов. В качестве
простетической группы цитохромы содержат
гем. Цитохромы окрашены; они отличаются
друг от друга спектрами поглощения и
окислительно-
Дыхательная цепь имеет следующие особенности:
1) Одни ее компоненты переносят только атомы водорода, а другие – только электроны.
2) Переносчики атомов водорода и переносчики электронов последовательно чередуются в дыхательной цепи. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы – электронов.
3) В составе
дыхательных цепей у
4. Синтез молекул АТФ в дыхательной цепи бактерий и дрожжей
В качестве примера сравним дыхательные цепи в митохондриях дрожжей (рис. 6) и у бактерий E. coli (рис. 7).
Из рис. 6 видно, что митохондриальная дыхательная цепь у дрожжей содержит четыре комплекса:
• комплекс 1 – НАД · Н2-дегидрогеназа; в него входят ФМН и железосерные белки; НАД · Н2-дегидрогеназа переносит водород от НАД · Н2 к коферменту Q;
• комплекс 2 – сукцинатдегидрогеназа, содержащая ФАД. Она отдает водород в дыхательную цепь на уровне кофермента Q;
• комплекс 3 – цитохром b и цитохром с1, принимающие электроны от кофермента Q и передающие их на цитохром с;
• комплекс 4 –цитохромоксидаза, осуществляющая перенос электронов на молекулярный кислород.
Рис. 6. Компоненты дыхательной цепи митохондрий у дрожжей: цит. - цитохром
Рис. 7. Компоненты дыхательной цепи бактерий E. сoli: А – путь при росте в аэробных условиях; В – путь при росте с ограниченным снабжением кислородом
Дыхательная цепь бактерий E. coli по своему составу отличается от дыхательной цепи митохондрий дрожжей (рис. 7):
- в нее не входит цитохром с;
- дыхательная цепь у E. coli разветвлена.
В клетках, растущих в условиях достаточной аэрации, восстановительные эквиваленты передаются к кислороду преимущественно через кофермент Q, цитохром b556 и цитохром о. При ограниченном снабжении кислородом клетки используют в качестве переносчиков электронов менахинон или убихинон и цитохромы b558 и d. В последнем случае образуется меньшее количество АТФ.
Синтез молекул АТФ. Установлено, что в дыхательной цепи митохондрий дрожжей существуют три пункта фосфорилирования, которые соответствуют участкам выхода протонов во внешнюю среду. Первый участок локализован в начале дыхательной цепи и связан с функционированием НАДФ · Н2-дегидрогеназы. Второй определяется способностью убихинона переносить водород. Последний локализован в конце дыхательной цепи и связан с активностью цитохромоксидазы. Если роль донора водорода выполняет ФАД · Н2 , то возможны только два пункта фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где располагается НАДФ · Н2-дегидрогеназа (рис. 8).
Как видно из рис. 8, связывание протонов происходит на внутренней стороне мембраны, а их освобождение – на наружной. Так как внутренняя мембрана митохондрий и цитоплазматическая мембрана бактерий непроницаемы для ионов, в том числе и для Н+ и ОН-, то создается трансмембранный электрохимический, или протонный градиент между наружной и внутренней их сторонами. Протоны могут обратно поступать через мембрану только в определенных местах. В некоторых из них располагаются специфические белки – АТФ-синтазы. В процессе переноса протонов через мембрану АТФ-синтаза катализирует присоединение фосфата к АДФ с отщеплением воды, в результате образуется АТФ. Однако, в настоящее время пока в деталях не ясно, каким образом энергия трансмембранного электрохимического градиента используется в реакциях фосфорилирования.