Введение в молекулярную биологию. Введение в изучение клеточной и молекулярной биологии 1 страница

План

• Открытие клеток

• Основные компоненты клеток

• Два фундаментально отличных класса клеток

• Вирусы

Историческая справка:

В 1838 г. М.Шлейден – описал различия клеток растительных тканей

В 1839 г. Т.Шванн сформулировал клеточные основы жизни (клеточная теория):

• Все организмы состоят из одного или многих видов клеток

• Клетки являются структурной единицей жизни

В 1855 Р.Вирхов сформулировал закон: клетки могут возникать только при делении предсуществующих клеток.

Основные свойства клеток

• Жизнь – основное свойство клеток, клетки – наименьшая единица Жизни. Смерть клетки – прекращение жизни.

• Клетки изучают морфологическими и биохимическими методами.

• Поверхность клетки изучают с помощью сканируещего электронного микроскопа. Внутреннее содержимое клеток изучают на срезах клеток с помощью светового микроскопа или с помощью трансмиссионной электронной микроскопии

Молекулярное сходство живых организмов

• Для практически всех живых организмов одинаковыми являются базовые процессы:

• Матричный синтез белков (ДНК®РНК ®Белок)

• Запасание химической энергии

• Построение мембранных структур

Клетка владеет генетической информацией и использует ее:

• Организм строится в соответствии с информацией, закодированной и хранящейся в генах.

• Большинство этой информации упакована в виде нуклеиновых кислот хромосом (часть в составе митохондриальной ДНК).

• Молекулярная структура генов является местом мутационных процессов, лежащих в основе развития и эволюции живых организмов.

• Расшифровка механизмов использования генетической информации клетками является важнейшей задачей науки последних десятилетий.

Самовоспроизведение клеток:

• Деление клеток происходит путем получения из материнской клетки двух дочерних.

• Перед делением клеток генетический материал удваивается и каждая дочерняя клетка получает одинаковое количество генетического материала.

• В результате деления получаются дочерние клетки одинакового объема. Однако, это правило нарушается при образовании ооцитов млекопитающих.

На что способны клетки?

• Жизнедеятельность клетки определяется тысячами химических реакций ферментативной природы (энергетические и пластические процессы).

• Клетки способны к различным типам движения и переноса веществ (биохимические белковые моторы, трансмембранные транспортные системы и др.).

• Клетки способны отвечать на стимулы физической, химической и биологической природы (основную роль играют рецепторы и чувствительные к воздействующему фактору молекулы и процессы).

• Клетки способны к регуляции нервными (электрическими сигналами) и химическими сигнальными молекулами (аутокринная, паракринная и эндокринная системы).

• Клетки способны к развитию (стволовые клетки, трансформация, дифференцировка и др.).

Шесть модельных организмов: Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus

Лекция 2. Биоэнергетика и метаболизм

План

• Биоэнергетика

• Ферменты как биологические катализаторы

• Метаболизм

Законы термодинамики:

• Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии: энергия не появляется и не исчезает; всякий раз, когда энергия используется для выполнения работы или же переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.

• Второй закон термодинамики гласит, что все физические или химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит величина – энтропия.

Энтропия:

• Процесс останавливается, когда наступает состояние равновесия, при котором энтропия имеет максимально возможное при данных условиях значение.

• Энтропия является количественной характеристикой или мерой неупорядоченной энергии в данной системе.

• Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде.

Метаболизм:

• Метаболизм (metabole – греч. изменение, превращение) – это совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме, происходящих с участием ферментов.

• В наиболее употребительном значении термин «метаболизм» равнозначен «обмену веществ».

• В точном смысле «метаболизм» означает промежуточный обмен, т.е. превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Вещества, участвующие в метаболизме, называются метаболитами.

Деление живых организмов по форме усвояемого углерода:

• Автотрофные клетки («сами себя питающие») усваивают СО₂ воздуха в процессе фотосинтеза и из него строят все свои органические вещества (фотосинтезирующие бактерии, зеленые растения).

• Гетеротрофные клетки («питающиеся за счет других») получают углерод из сложных органических соединений (клетки высших животных и большинства микроорганизмов), т.е. они питаются продуктами жизнедеятельности других клеток.

• В биосфере автотрофы и гетеротрофы являются участниками кругооборота углерода и кислорода между животным и растительным мирами: автотрофы используют атмосферный СО₂ для синтеза органических молекул и многие из них выделяют кислород из воды в результате этого процесса; гетеротрофы используют органические продукты автотрофов как источник питания и выделяют СО₂, который, взаимодействуя с О₂, превращается в воду.

Метаболизм складывается из двух фаз – катаболизм и анаболизм:

• Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул (углеводов, липидов, белков) до более простых (лактат, Н₂О, СО₂, NH₃) с выделением энергии и запасанием ее в виде АТФ или восстановительных эквивалентов (НАДН, НАДФН, ФАДН₂).

• Анаболизм – ферментативный синтез крупных полимерных молекул из простых предшественников с затратой АТФ или восстановительных эквивалентов НАДН, НАДФН и ФАДН₂.

Катаболизм и анаболизм не являются простым обращением реакций:

• Катаболические и анаболические пути должны отличаться хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо. Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (анаэробный гликолиз) включает 11 реакций; обратный процесс – синтез глюкозы из лактата (глюконеогенез) включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. На этих стадиях регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы.

• Реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных компартментах клеток. Например, распад жирных кислот протекает в митохондриях, а синтез – в цитозоле.

• Метаболический статус (status – состояние на какой-либо момент времени) – взаимоотношение анаболических и катаболических процессов в организме на определенный момент времени.

Ферменты:

• Ферменты – биологические катализаторы белковой природы

• Идея W.Jencks (1969) о способности белков-антител катализировать химические реакции была подтверждена в конце 80-х годов прошлого века. Были введены термины «каталитические антитела» или «абзимы» (от antibody enzyme).

• Каталитические РНК (рибозимы) были описаны в 80-х годах прошлого века (T.R.Chech et al., 1981; C.Guerrier-Takada et al., 1983). Рибозимы достаточно широко представлены в природе и играют важную роль в эволюции живых организмов, поскольку они могут обеспечивать репродукцию и процессинг РНК без участия белков-ферментов.

Характеристика ферментов:

• Ферменты ускоряют реакции в миллионы раз. Многие реакции не могут протекать в организме в отсутствие ферментов.

• Например, гидратация углекислоты, катализируемая карбоангидразой, является одной из наиболее быстрых реакций. Каждая молекула фермента гидрирует 10⁶ молекул СО₂ за секунду! Эта катализируемая реакция протекает в 10⁷ раз быстрее, чем не катализируемая.

• Ферментативный гидролиз пептидной связи происходит за миллисекунды, а без фермента для разрыва пептидной связи при нейтральном значении рН потребуется от 10 до 1000 лет.

Сходство между ферментами и неорганическими катализаторами:

1. Не расходуются и не образуются в процессе реакции.

2. Катализируют только энергетически возможные реакции.

3. Не изменяют свободную энергию субстратов и продуктов реакции.

4. Не смещают равновесия реакции, а ускоряют его наступление.

Активный центр:

1. Активный центр фермента формируется при образовании третичной структуры белка за счет пространственного сближения радикалов аминокислот.

2. Активный центр образуется боковыми радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии в первичной структуре.

3. Активный центр представляет собой полость, щель или карман; на область активного центра приходится всего лишь 25-100-часть от объема фермента.

4. Активный центр не является жесткой структурой. Его конформация изменяется при связывании субстрата. 5. У сложных ферментов в состав активного центра входят кофакторы.

6. В активном центре выделяют контактный (якорный) участок, связывающий субстрат и каталитический участок, где происходит превращение субстрата.

7. Субстрат связывается с активным центром фермента не ковалентными связями.

Аллостерический центр:

• Кроме активного центра у ряда ферментов имеется регуляторный, или аллостерический (от греч. allos – иной, чужой) центр, который в молекуле фермента, как правило, пространственно отделен от активного центра.

• К аллостерическому центру присоединяются вещества – эффекторы, которые делятся на активаторы и ингибиторы.Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной и/или четвертичной структуры молекулы фермента и соответственно конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение ферментативной активности.

• Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются аллостерическими.

Виды специфичности ферментов:

1. Абсолютная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, аргиназа расщепляет аргинин, уреаза – мочевину.

2. Относительная специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи. Например, липаза гидролизует жиры по месту сложноэфирной связи на глицерин и жирные кислоты.

3. Относительная групповая специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи, но в ее образовании участвуют определенные функциональные группы. Такие ферменты обычно участвуют в процессе пищеварения. Например, пищеварительные ферменты гидролизующие пептидную связь в белках относятся к протеиназам (относительная специфичность), но среди них пепсин расщепляет пептидную связь, образованную аминогруппой ароматических аминокислот; трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой основных аминокислот, а химотрипсин – карбоксильной группой ароматических аминокислот (относительная групповая специфичность).

4. Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение определенного стереоизомера. Например, оксидаза L-аминокислот превращает только L-аминокислоты.

Классы ферментов:

1. Оксидоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции

2. Трансферазы. К классу трансфераз относятся ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса групп

3. Гидролазы катализируют гидролиз эфирных, сложноэфирных, пептидных и гликозидных связей, кислородных ангидридов, связей С-С, С-галоген и Р-N, т.е. расщепление внутримолекулярных связей с участием воды

4. Лиазы (синтазы) - это ферменты, отщепляющие группы от субстратов по негидролитическому (без участия воды) механизму, с образованием двойных связей

5. Изомеразы катализируют различные типы оптических, геометричеких и позиционных изомеров

6. Лигазы (синтетазы) катализируют соединения двух молекул, сопряженное с разрывом пирофосфатной связи АТФ или другого макроэргического соединения

Номенклатура ферментов:

Каждый фермент имеет специальный шифр, состоящий из 4-х кодовых чисел, разделенных точками; первая цифра характеризует класс реакции, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет шифр 1.1.1.27, т.е. фермент относится к 1-му классу (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН-ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27 позицию в перечне ферментов упомянутого подкласса

Активность ферментов зависит от 6 факторов:

1. От количества фермента при избытке субстрата
2. От концентрации фермента (уравнение Михаэлиса-Ментен
3. От температуры реакции
4. От рН
5. От наличия активаторов
6. От наличия ингибиторов

Единицы измерения активности ферментов:

1. Стандартная международная единица (Е или U) – количество фермента, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту (мкмоль/мин).

Катал - количество фермента, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 моль субстрата в секунду (моль/сек). 1 Е фермента соответствует 16,67 нкат; 1 кат = 6×107 Е

2. Удельная активность – число единиц ферментативной активности на 1 мг ферментативного белка.

3. Молярная активность (число оборотов) – число молекул субстрата, подвергающихся превращению одной молекулой фермента в секунду.

Единицы энергии:

• Единицы энергии: калория (кал) эквивалентна количеству тепла для подъема температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5 ºС. Килокалория (ккал) равна 1000 кал. Джоуль (Дж) равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы. Килоджоуль (кДж) равен 1000 Дж.

• 1 ккал = 4,184 кДж

Биоэнергетика

• Биоэнергетика, или биохимическая термодинамика, занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.

• Изменение свободной энергии (∆G) – это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу. Иначе говоря, это полезная энергия и выражается уравнением

∆G = ∆Н - Т∆S,

где ∆Н – изменение энтальпии (теплоты), Т – абсолютная температура, ∆S – изменение энтропии.

Типы реакций:

• Если значение ∆G отрицательное, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзэргоническими.

• Если значение ∆G положительное, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется эндэргонической.

• При ∆G равном нулю система находится в равновесии.

• Величина ∆G при стандартных условиях протекания химической реакции (концентрация веществ-участников 1,0 М, температура 25 ºС, рН 7,0) обозначается DG₀¢ и называется стандартной свободной энергией реакции.

Аккумуляторы энергии в организме:

• Внутренняя мембрана митохондрий – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. За счет энергии окисления веществ происходит «выталкивание» протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате создается электрохимический потенциал (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий. При разрядке мембраны энергия электрохимического потенциала трансформируется в энергию АТФ: ЕОКИСЛ. ® ЕЭХП ® ЕАТФ. Для реализации этого механизма внутренняя мембрана митохондрий содержит ферментативную цепь переноса электронов на кислород и АТФ-синтазу (протонзависимую синтазу АТФ).

• АТФ и другие макроэргические соединения. Материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами. Обычным энергетическим уровнем возникновения или распада химической связи является ~ 12,5 кДж/моль. Однако имеется ряд молекул, при гидролизе связей которых выделяется более 21 кДж/моль энергии (табл.8.3). К ним относятся соединения с макроэргической фосфоангидридной связью (АТФ), а также ацилфосфаты (ацетил-фосфат, 1,3-бисфосфоглицерат), енол-фосфаты (фосфоенолпируват) и фосфогуанидины (фосфокреатин, фосфоаргинин).

К макроэргическим соединениям относят также нуклеозидтрифосфаты, которые обеспечивают энергией ряд биосинтезов: УТФ – углеводов; ЦТФ – липидов; ГТФ – белков. В биоэнергетике мышц важное место занимает креатинфосфат.

• НАДФН+Н+ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный. Это специальный аккумулятор с высокой энергией, который используется в клетке (цитозоль) для биосинтезов. R-CH₃ + НАДФН₂ + О₂ ® R-CH₂ОН + Н₂О + НАДФ+ (здесь показано создание ОН-группы в молекуле).

Сопряжение эндергонических и экзергонических реакций:

• Жизненно важные процессы в организме – реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, транспорт через мембраны – получают энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями, в результате которых происходит высвобождение энергии. Т.е. эндэргонические реакции в организме сопряжены с экзэргоническими.

• Для сопряжения эндэргонических реакций с экзэргоническими реакциями необходимы аккумуляторы энергии в организме, в которых запасается примерно 50% энергии.

Энергетический заряд клетки:

• Многие реакции метаболизма контролируются энергетическим обеспечением клеток, который контролируется энергетическим зарядом клетки. Энергетический заряд может колебаться от 0 (все АМФ) до 1 (все АТФ). Согласно Д.Аткинсону, образующие АТФ катаболические пути ингибируются высоким энергетическим зарядом клетки, а утилизирующие АТФ анаболические пути стимулируются высоким энергетическим зарядом клетки. Оба пути функционируют одинаково при энергетическом заряде, близком к 0,9. Следовательно, энергетический заряд, подобно рН, является буферным регулятором метаболизма (соотношения катаболизма и анаболизма). В большинстве клеток энергетический заряд колеблется в пределах 0,80-0,95.

Лекция 3. Структура и функция плазматических мембран

План

• Функции мембран.

• Химическое строение мембран.

• Структура и функции мембранных белков.

• Мембранные липиды и жидкостность мембран. Динамическая природа плазматических мембран.

• Модели мембран. Перенос веществ через мембраны.

• Мембранные потенциалы и нервные импульсы.

• Важные процессы для человека: дефекты ионных каналов как причина врожденных заболеваний.

• Примеры молекулярных методов: исследование ацетилхолинового рецептора.

Мембраны - это высокоорганизованные структуры, отграничивающие внутреннее пространство клетки или ее отсеков, построенные из белков и липидов

Функции мембран:

1. Отделяют клетки от окружающей среды. Обладают избирательной проницаемостью, содержат специфические транспортные системы. Внутренние мембраны клеток ограничивают органеллы и формируют обособленные внутриклеточные отсеки - компартменты. Они обеспечивают функциональную специализацию клетки.

2. Мембраны играют центральную роль в системе межклеточных взаимодействий. В них располагаются рецепторы, воспринимающие химические, физические и другие внешние сигналы. Некоторые мембраны сами способны генерировать сигнал (химический или электрический).

3. Мембраны участвуют в процессах превращения энергии (фотосинтез, окислительное фосфорилирование).

Основными липидами мембран являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерол:

• Глицерофосфоглицериды являются основным компонентом большинства мембран и состоят из спирта глицерола, 2-х остатков жирных кислот, остатка фосфорной кислоты и спирта: холина (фосфатидилхолин), этаноламина (фосфатидилэтаноламин), серина (фосфатидилсерин), глицерола (фосфатидилглицерол), глицеролфосфата, треонина или инозитола.

• Сфингомиелины содержат спирт сфингозин. Жирная кислота присоединяется амидной связью к аминогруппе сфингозина. Первичная гидроксильная группа сфингозина эстерифицируется фосфорилхолином. Сфингомиелины находятся преимущественно в миелиновых оболочках.

• Холестерол

Характеристика мембран:

Мембраны являются сложными структурами, построенными из липидов, белков и углеводов. Основу мембран составляет липидный бислой, имеющий толщину 6-10 нм.

2. Соотношение белков и липидов в мембранах варьирует от 1:4 до 4:1 и зависит от типа клеток и органелл.

3. Мембраны являются асимметричной структурой с наружной и внутренней поверхностями.

4. Мембрана стабилизируется нековалентными связями и является термодинамически стабильной и метаболически активной.

5. Специфические белки встроены в мембраны и выполняют специфические функции рецепции управляющих сигналов, межклеточного взаимодействия, транспорта веществ и пр.

6. Мембраны – это жидкостные структуры.

Белки мембран:

• По расположению белков в мембране, способу их ассоциации с липидным бислоем их можно разделить на: поверхностные (периферические) мембранные белки, связанные с гидрофильной поверхностью липидного бислоя; интегральные мембранные белки, погруженные в гидрофобную область бислоя.

• Прошивающие мембрану белки имеют конформацию α-спирали во внутренней части мембраны. В этой части белка преобладают гидрофобные аминокислотные остатки. Такая структура была впервые установлена при исследовании бактериородопсина (7 тесно упакованных α-спиралей, пересекающих мембрану размером 4,4 нм).

Мембранные белки – типы:

Мембранные белки можно разделить на две группы: структурные и динамические белки. Структурные белки поддерживают структуру всей мембраны. Это, как правило, периферические белки, выступающие в роли «молекулярного бандажа».

Динамические белки непосредственно участвуют в процессах, происходящих на мембране. Выделяют три класса таких белков:

1) транспортные – участвующие в трансмембранном переносе веществ;

2) каталитические – это ферменты, интегрированные в мембрану и катализирующие происходящие там реакции;

3) рецепторные – это мембранные рецепторы, специфически связывающие такие соединения, как гормоны, нейромедиаторы, токсины, на наружной стороне мембраны, что служит сигналом для изменения метаболических процессов в мембране или внутри клетки.

Углеводы мембран:

• В составе мембран углеводы находятся только в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). В мембране гликозилировано около 10% всех белков и 5-25% липидов. Углеводные цепи белков колеблются по составу от 2-х членных структур до разветвленных 18-членных полисахаридов.

• Функции углеводов:

1) определяют межклеточное взаимодействие;

2) участвуют в системе иммунитета (антигенные детерминанты групп крови);

3) входят в состав рецепторов.

Механизмы трансмембранного транспорта:

• Простая диффузия

• Облегченная диффузия

• Активный транспорт (первичный, вторичный)

• Везикулярный транспорт (эндоцитоз – фагоцитоз и пиноцитоз; экзоцитоз)

Лекция 4. Аэробное дыхание и митохондрии

План

• Структура и функция митохондрий.

• Дыхательная цепь внутренней мембраны митохондрий. Роль митохондрий в образовании АТФ, хемиосмотическая гипотеза образования электрохимического потенциала. «Молекулярная машина» для синтеза АТФ.

• Образование активных метаболитов кислорода в митохондриях и их биологическая роль. Пероксисомы.

Обмен углеводов в эукариотической клетке (в цитозоле при отсутствии кислорода глюкоза превращается через пируват до лактата; в митохондриях при наличии кислорода через пируват – до СО₂ и Н₂О).

Судьба пирувата:

• В анаэробных условиях пируват восстанавливается в лактат – это анаэробный гликолиз. В гликолизе методом субстратного фосфорилирования образуется 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы или 3 молекулы АТФ, если глюкоза поступала из гликогена в виде Г-1-Ф (гликогенолиз).

• В аэробных условиях и при наличии в клетках митохондрий пируват переносится в митохондрии, где 1) окислительно декарбоксилируется до ацетил-КоА; 2) ацетильная группа ацетил-КоА окисляется и декарбоксилируется в ЦТК; 3) 5 пар протонов (одна пара из 1 этапа и четыре пары из ЦТК – 2 этапа) поступают в Цепь переноса электронов (ЦПЭ), где методом окислительного фосфорилирования образуется АТФ. В аэробных условиях при окислении 1 молекулы АТФ до СО₂ и Н₂О образуется 30-32 АТФ.

• Аэробное окисление глюкозы эффективнее анаэробного в 15-16 раз.

Биологическое окисление:

В основе биологического окисления лежат окислительно-восстановительные процессы, определяемые переносом электронов.

Вещество окисляется, если теряет электроны или одновременно электроны и протоны (водородные атомы, дегидрирование) или присоединяет кислород (оксигенирование). Противоположные превращения – восстановление.

Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом, Е0¢, или ОВП). Редокс-потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах.

Чем выше потенциал системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны.

Редокс-потенциал определяет работу цепи переноса электронов:

• Редокс-потенциалы Е₀¢ связаны с изменением свободной энергии DG0¢ уравнением Нернста: DЕ0¢=-DG0¢: nF, где n – число перенесенных в реакции электронов, F – постоянная Фарадея (96,5 кДж×В-1×моль-1), DЕ₀¢ -разность редокс-потенциалов электронно-донорной и электронно-акцепторной пар.

• Промежуточные переносчики электронов располагаются так, что DЕ₀¢ постоянно уменьшается, а редокс-потенциал, соответственно возрастает.

• Таким образом, на каждом этапе передачи электрона соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия.

ЦПЭ – цепь переноса электронов:

• ЦПЭ – это универсальный конвейер по переносу электронов от субстратов окисления к кислороду, построенный в соответствии с градиентом окислительно-восстановительного потенциала.

• Главные компоненты дыхательной цепи расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала.

• В процессе переноса электронов по градиенту окислительно-восстановительного потенциала высвобождается свободная энергия.

• ЦПЭ локализована во внутренней мембране митохондрий.

ОВП цепи переноса электронов. Имеется 3 участка, где освобождается энергии больше, чем требуется для образования АТФ.

Суть окислительного фосфорилирования:

1) за счет энергии переноса электронов в ЦПЭ (Е-ОКИСЛЕНИЯ) происходит движение протонов через мембрану в ММП и создается электрохимический потенциал (Е-ЭХП).

2) При возвращении протонов назад через АТФ-синтазу энергия ЭХП трансформируется в энергию АТФ – ЕАТФ.

Итог:

• В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в ЦПЭ.

• Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль АТФ, или 62 кг (при расчете использован коэффициент Р/О = 2,5, т.е. среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТФ, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, каждая молекула АТФ за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза.

Окислительные системы, не связанные с запасанием энергии:

• Пероксидазный путь. Другой тип дегидрирования субстратов, заключающийся в переносе двух атомов водорода на молекулу кислорода, называется пероксидазным: RН₂ + O₂ ® R + H₂O₂.

• Оксигеназный путь. Оксигеназы – это ферменты, катализирующие включение атома или молекулы кислорода в субстрат окисления. Служат для синтеза и деградации различных метаболитов. Оксигеназы представлены двумя типами ферментов (монооксигеназы и диоксигеназы, служат для обезвреживания ксенобиотиков).

• Свободно-радикальное окисление. Полное восстановление О₂ до Н₂О требует присоединения 4 электронов: О₂ + 4е^- + 4Н⁺ ® 2Н₂О. При неполном восстановлении (т.е. присоединении 1, 2 или 3е^-) образуются свободно-радикальные формы кислорода: супероксидный анион-радикал,гидроксильный радикал, алкоксильный радикал),гидрпероксильный радикал и др.