Реферати » Реферати по біології » Біологічне окислення

Біологічне окислення

менш у анаеробних організмів і тканин, здатних працювати в анаеробних умовах, гліколіз може стати основним джерелом клітинного АТФ. У цих випадках молекули пірувату залишаються в цитозолі і перетворюються на лактат, який потім виводиться з клітки. Дельнейшее перетворення пірувату в цих енергодающіх реакціях, званих бродінням, потрібно для того, щоб повністю використовувати відновний потенціал, отриманий у реакції 5 гліколізу, і таким шляхом регенерувати НАД +, необхідний для подальшого здійснення гліколізу. [1,1994]

Окисне фосфорилювання.

Окисне фосфорилювання дозволяє аеробних організмів вловлювати значну частку потенційної вільної енергії окислення субстратів.
Можливе пояснення механізму окисного фосфорилювання пропонує хеміосмотична теорія. Ряд лікарських речовин (наприклад, амобарбітал) і отрут (ціанід, окис вуглецю) пригнічують окисне фосфорилювання, зазвичай з фатальними наслідками. Окисне фосфорилювання є настільки життєво важливим процесом, що порушення його нормального ходу несумісне з життям. Цим можна пояснити, чому виявлено лише невелика кількість генетичних порушень, які зачіпають цю систему.

Хоча цикл лимонної кислоти складає частину аеробного метаболізму, ні в одній з реакцій цього циклу, що призводять до утворення НАДН і ФАДH2, молекулярний кисень не бере прямої участі; це відбувається тільки в завершальній серії катаболічних реакцій, що протікають на внутрішній мембрані. Майже вся енергія, що отримується на ранніх етапах окислення від спалювання вуглеводів, жирів та інших поживних речовин, спочатку запасається у формі високоенергетичних електронів, які переносяться НАДН і ФАДН.
Потім ці електрони взаємодіють з молекулярною киснем в дихального ланцюга. Taк як велика кількість вивільненої енергії використовується ферментами внутрішньої мембрани для синтезу АТФ з AДФ і Фн, ці останні реакції називають окислювальним фосфорилюванням.

Синтез АТФ в реакціях окисного фосфорилювання, що протікають в дихального ланцюга, залежить від хеміосмотіческой процесу. Механізм цього процесу, вперше запропонований в 1961 році, дозволив вирішити проблему, що давно стала перед біологією клітини.

Раніше думали, що енергію для синтезу АТФ в дихальної ланцюга забезпечує такий же механізм, як і при субстратном фосфорилировании: передбачалося, що енергія окислення використовується для утворення високоенергетичної зв'язку між фосфатної групою і якимось проміжним з'єднанням і, що перетворення AДФ в АТФ здійснюється за рахунок енергії, що виділяється при розриві цього зв'язку. Однак, незважаючи на інтенсивні пошуки, передбачуваний интермедиат ні виявлено.

Згідно хеміосмотіческой гіпотезі, замість багатих енергією проміжних продуктів існує прямий зв'язок між процесами хімічними («хеми ...» ) і транспортними (осмотическими, від грецького osmos
- поштовх, тиск) - хеміосмотіческой сполучення.

Хеміосмотична гіпотеза, запропонована на початку 60-х років, включала чотири незалежних постулату, що стосувалися функції мітохондрій:

1. Мітохондріальна дихальна ланцюг, що знаходиться у внутрішній мембрані, здатна переміщати протони; при проходженні електронів по дихальної ланцюга відбувається «відкачування» Н + з матриксу.

2. Мітохондріальний АТФ-синтетазної комплекс теж переміщує протони через внутрішню мембрану. Оскільки цей процес звернемо, фермент може не тільки використовувати енергію гідролізу АТФ для перенесення Н + через мембрану, але при досить великому протонному градієнті протони починають «текти» через
АТФ-синтетазу у зворотному напрямку, що супроводжується синтезом АТФ.

3. Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для Н +, ОН-і взагалі всіх аніонів та катіонів.

4. Внутрішня мітохондріальна мембрана містить ряд білків-переносників, що здійснюють транспорт необхідних метаболітів і неорганічних іонів.

При проходженні високоенергетичних електронів, що доставляються НАДН і
ФАДH2, по дихального ланцюга внутрішньої мітохондріальної мембрани від одного переносника до наступного вивільняється енергія, яка використовується для перекачування протонів (Н + ) через внутрішню мембрану з матриксу в межмембранное простір. (См.рисунок 2)

Малюнок 2. Перенесення протонів за участю АТФ-сінтазной системи (модель
Мітчелла). [10,1993]

У результаті на внутрішній мембрані створюється електрохімічний протонний градієнт; енергію о6ратного струму протонів «вниз» з цього градієнту використовується пов'язаний з мембраною фермент АТФ-синтетазу, що каталізує утворення ATФ з АДФ і Фн, тобто завершальний етап окисного фосфорилювання.

Редокс-ланцюг окисного фосфорилювання.

Електрони переносяться з НАДН на кисень за допомогою трьох великих ферментних комплексів дихального ланцюга. Хоча механізми добування енергії в дихального ланцюга і в інших катаболічних реакціях різні, в їх основі лежать загальні принципи. Реакція Н2 + 1/2 О2 (Н2О розбита на багато невеликих
«кроків» , так що вивільняється енергія може переходити в пов'язані форми, а не розсіюється у вигляді тепла. Як і в разі утворення АТФ і НАДH при гликолизе або в циклі лимонної кислоти, це пов'язано з використанням непрямого шляху. Але унікальність дихального ланцюга полягає в тому, що тут насамперед атоми водню розщеплюються на електрони і протони.
Електрони передаються через серію переносників , вбудованих у внутрішню мітохондріальну мембрану. Коли електрони досягають кінця цього електронтранспортной ланцюга, протони виявляються там же для нейтралізації негативного заряду, що виникає при переході електронів на молекулу кисню.

Простежимо процес окислення, починаючи з освіти НАДH - головного акцептора реактивних електронів, видобутих при окисленні молекул поживних речовин. Кожен атом водню складається з одного електрона і одного протона. Кожна молекула НАДH несе гідрид-іон (водневий атом + додатковий електрон, Н :-), а не просто атом водню. Однак через присутність в навколишньому водному розчині вільних протонів перенесення гідрид-іона у складі НАДH еквівалентний переносу двох атомів водню або молекули водню (Н: - + Н + (Н2).

Передача електронів по дихальної ланцюга починається з відібрання гідрид-іона
(Н :-) від НАДH; при цьому регенерується НАД +, a гідрид-іон перетворюється на протон і два електрони (Н: - (Н + + 2е-). Ці електрони переходять на перший з більш ніж 15 різних переносників електронів в дихальної ланцюга. У цей момент електрони володіють дуже великою енергією, запас якої поступово зменшується у міру проходження їх по ланцюгу. Найчастіше електрони переходять від одного атома металу до іншого, причому кожен з цих атомів міцно пов'язаний з білкової молекулою, яка впливає на його спорідненість до електрону. Важливо відзначити, що всі білки - переносники електронів - групуються в три великих комплексу дихальних ферментів, кожен з яких містить трансмембранні білки, міцно закріплюють комплекс у внутрішній мембрані мітохондрії . Кожен наступний комплекс володіє великим спорідненістю до електронам, ніж попередній. Електрони послідовно переходять з одного комплексу на інший, поки нарешті не перейдуть на кисень, що має найбільшу спорідненість до електрона.

Енергія, що вивільняється в процесі перенесення електронів по дихальної ланцюга, запасається у формі електрохімічного протонного градієнта на внутрішній мембрані мітохондрій.

Окисне фосфорилювання можливо завдяки тісній асоціації переносників електронів з білковими молекулами. Білки направляють електрони по дихального ланцюга так, що вони послідовно переходять від одного ферментного комплексу до іншого, не «перескакуючи» через проміжні ланки. Особливо важливо те, що перенесення електронів пов'язаний з аллостеріческого змінами певних білків молекул, в результату чого енергетично вигідний потік електронів викликає перекачування протонів
(Н +) через внутрішню мем6рану з матриксу в межмембранное простір і далі за межі мітохондрії. Пересування протонів призводить до двох важливих наслідків: 1) між двома сторонами внутрішньої мембрани створюється градієнт рН - в матриксі рН вище, ніж в цитозолі, де значення рН зазвичай близько до 7,0 (так як малі молекули вільно проходять через зовнішню мембрану мітохондрії, рН в межмембранном просторі буде таким же як в цитозолі); 2) на внутрішній мембрані створюється градієнт напруги
(мембранний потенціал), причому внутрішня сторона мембрани заряджається негативно, а зовнішня - позитивно. Градієнт рН ((рН) змушує іони
Н + переходити назад в матрикс, а іони ОН-з матриксу, що підсилює ефект мембранного потенціалу, під дією якого будь-який позитивний заряд притягується в матрикс, а будь негативний виштовхується з нього.
Спільна дія цих двох сил призводить до виникнення електрохімічного протонного градієнта. Електорохіміческій протонний градієнт створює протонодвіжущую силу, вимірювану в мілівольтах (мВ).

Енергія електрохімічного протонного градієнта використовується для синтезу АТФ і транспорту метаболітів і неорганічних іонів у матрикс.

Внутрішня мембрана мітохондрій відрізняється незвичайно високим вмістом білка - в ній за вагою приблизно 70% білка і
30% фосфоліпідів. Багато з цих білків входять до складу електронтранспортной ланцюга, підтримуючої протонний градієнт на мембрані. Інший важливий компонент - фермент АТФ-синтетазу, що каталізує синтез АТФ. Це великий білковий комплекс, через який протони перетікають назад в матрикс з електрохімічного градієнту. Подібно турбіні, АТФ-синтетаза перетворює одну форму енергії в іншу, синтезуючи АТФ з AДФ і Фн в мітохондріальному матриксе в ході реакції, сполученої з струмом протонів в матрикс (див. Рисунок 3).

Малюнок 3. Загальний механізм окисного фосфорилювання. [1,1994]

Але синтез АТФ - це не єдиний процес, що йде за рахунок енергії електрохімічного градієнта. У матриксі, де знаходяться ферменти, що у циклі лимонної кислоти та інших метаболічних реакціях, необхідно підтримувати високі концентрації різних субстратів; зокрема, для АТФ-синтетази потрібні AДФ і фосфат. Тому через внутрішню мембрану повинні транспортуватися різноманітні несучі заряд субстрати. Це досягається за допомогою різних білків-переносників, вбудованих в мембрану, багато з яких активно перекачують певні молекули проти їх електрохімічних градієнтів, тобто здійснюють процес, що вимагає витрати енергії. Для більшої частини метаболітів джерелом цієї енергії, служить пару з переміщенням якихось інших молекул «вниз» по їх електрохімічного градієнту. Наприклад, у транспорті АДФ бере участь система антипорта АДФ-АТФ: при переході кожної молекули AДФ в матрикс з нього виходить за своїм електрохімічного

Сторінки: 1 2 3 4 5 6 7 8

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар