ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ
В.И. Палладин (1908 г) – теория активации водорода.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ И ТКАНЕВОМ ДЫХАНИИ.
Фазы освобождения энергии из питательных веществ
Фазы освобождения энергии из питательных веществ
Энергетический обмен
Макроэргическая связь
Адениловая система
Пути использования кислорода в клетке
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Пируватдегидрогеназный комплекс
Пируватдегидрогеназный комплекс
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Значение цикла Кребса
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Вопросы для письменного ответа
1.60M
Категория: БиологияБиология

Лекция №5, лечебное дело

1.

ПЯТИГОРСКИЙ МЕДИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
Лекция №5
Биологическое окисление. Общий
путь катаболизма. ОДПВК и ЦТК.
Пятигорск, 2020

2. ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ

А.Н. Бах (1898 г) – теория активации кислорода
или теория перекисных соединений.
Основные положения:
в окислении обязательно участвует О2,
при его активации разрывается только 1 связь;
О2 передается на субстрат через промежуточные вещества;
участвуют ферменты - оксигеназы.
Схема:

3. В.И. Палладин (1908 г) – теория активации водорода.

Основные положения:
Окисление протекает путем отщепления атомов водорода без
участия О2.
Окисление может протекать как в присутствии, так и без О2.
О2 служит конечным акцептором атомов водорода.
Участвуют промежуточные переносчики атомов водорода –
хромогены.
Схема:

4. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ И ТКАНЕВОМ ДЫХАНИИ.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ – совокупность всех ОВР в живых системах,
протекающие в аэробных и анаэробных условиях.
Метаболизм включает в себя два противоположны процесса катаболизм и
анаболизм
Катаболизм – это прежде всего ферментативное расщепление крупных молекул
(белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов), осуществляемое
преимущественно за счет реакций гидролиза и окисления
Анаболизм – это ферментативный синтез сравнительно крупных молекул и
надмолекулярных комплексов из простых предшественников, что связано с
потреблением энергии, главным образом в форме энергии фосфатных связей АТФ
Катаболизм и анаболизм связаны общей стадией – лимоннокислым циклом
(циклом трикарбоновых кислот, циклом Кребса), сопряженным с тканевым
дыханием, которая обозначается как центральные, амфиболические, пути
метаболизма.
Тканевое дыхание - комплекс аэробных окислительно-восстановительных
реакций распада субстратов, сопровождающийся передачей протонов и
электронов через дыхательную цепь ферментов на кислород и выделением
энергии

5. Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Энергетические потребности клетки удовлетворяются за счёт энергии,
освобождаемой при катаболизме питательных веществ (белков, жиров и
углеводов), поступающих с пищей или находящихся в самом организме.
Однако, данные соединения не могут являться непосредственными
донорами протонов и электронов для дыхательной цепи…
Необходимы предварительные этапы, подготавливающие субстраты для
использования по пути синтеза АТФ.
I этап –
превращение полимеров, поступивших с пищей или находящихся
внутри клеток, в мономеры (аминокислоты, жирные кислоты,
моносахариды и др).
II этап –
специфические пути катаболизма всосавшихся мономеров.
III этап –
общий путь катаболизма.

6.

Первый этап
Ферментативное расщепление
белков, жиров и углеводов
Второй этап
Транспорт питательных веществ
кровью к тканям и клеточный
метаболизм
Третий этап
Выведение конечных продуктов
метаболизма в составе мочи, кала,
пота, через легкие в виде CO2 и т. д.

7.

Схема обмена веществ
Катаболизм
(Диссимиляция)
О2
Животные и
Вода растительные белки,
жиры, углеводы, вода
Получаем
при
дыхании
Анаболизм
(Ассимиляция)
Метаболизм
Распад органических веществ
для получения энергии
Строение и рост
организма
Тепловая Е
Получаем с
пищей
Энергия АТФ используется
для всех жизненных
процессов
Получение
низкомолекулярных
веществ
Выделяется
энергия
Запасается
энергия
(АТФ)
Получение
высокомолекулярных
веществ
Е химических связей
Выделяем
во
внешнюю среду
СО2
Тепловая Е
Н2О Продукты распада
Синтез органических
веществ, свойственных
человеку, с поглощением Е
Резанова Е.А. и др, 1998

8. Фазы освобождения энергии из питательных веществ

УГЛЕВОДЫ
БЕЛКИ
I этап
20 аминокислот
моносахариды
II этап
ЖИРЫ
глицерин
пировиноградная
кислота (ПВК)
щавелевоуксусная
кислота (ЩУК)
ацетил-СоА
α-кетоглутаровая
кислота (α-КГ)
III этап
Цикл
трикарбоновых
кислот
СО2
Н2О
энергия
жирные
кислоты

9.

Фазы освобождения энергии из
питательных веществ
БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ
ЖИРЫ
пировиноградная
кислота
(ПВК)
Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется
несколько этапов:
При переваривании в ЖКТ происходит гидролиз
полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров,
которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в
промежуточный обмен.
В ходе катаболизма мономеры (моносахара, жирные
кислоты и аминокислоты) превращаются в универсальное
вещество - Ацетил-КоА (исключение некоторые АК).
Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в
последовательных реакциях образуются субстраты
тканевого дыхания: изоцитрат, α-КГ, сукцинат и малат.
Окисление субстратов тканевого дыхания сопровождается
восстановлением коферментов НАДН2 и ФАДН2, которые
затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного
фосфорилирования.
ацетил-СоА
щавелевоуксусная
кислота (ЩУК)
ЦТК
СО2, Н2О, АТФ
α-кетоглутаровая
кислота (α-КГ)

10. Энергетический обмен

Углеводы
Жиры
Белки
Н 2О
НАД+
ФАД
АТФ
РАБОТА
НАДН
ФАДН2
СО2
Цикл окислениявосстановления
коферментов
АДФ
О2
Цикл АДФ-АТФ

11.

ЭНЕРГИЯ ОКИСЛЯЕМЫХ ВЕЩЕСТВ
АДФ + Н3РО4
АТФ
ЭНЕРГИЯ
Мышечное
сокращение
(механическая работа)
Трансмембранный
электрический
потенциал
(электрическая
работа)
Трансмембранная разность
концентраций
(осмотическая
работа)
Эндергонические синтезы
(химическая
работа)

12. Макроэргическая связь

Богатая энергией связь (> 5 ккал или 21 кДж/моль);
Энергия макроэргической связи превращается в работу, минуя
стадию тепла.
Макроэргические соединения
Производные фосфорной кислоты
OH
O
R
С
O
~P
O
Карбоксилфосфатные
OH
OH
R
С
O
CH2
~P
OH
O
Енолфосфатные

13.

OH
R
NH
~P
O
Аминофосфатные
OH
Пирофосфатные
R
С
O
~SKoA
Тиоэфирные

14. Адениловая система

Аденозин
Аденозинмонофосфат (АМФ)
Аденозиндифосфат (АДФ)
Аденозинтрифосфат (АТФ)

15. Пути использования кислорода в клетке

В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме:
Оксидазный путь - окислительное фосфорилирование. Протекает в митохондриях,
является основным источником АТФ в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода.
Монооксигеназный путь. Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу
субстрата. Используется для синтеза новых веществ (стероидные гормоны),
обезвреживания ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР.
Диоксигеназный путь. Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу
субстрата. Используется для деградации АК и синтеза новых веществ.
Пероксидазный и радикальный пути. Кислород участвует в образовании перекисей и
активных радикалов, которые необходимы в пероксисомах для внутриклеточного
пищеварения, разрушения макрофагами бактерий, вирусов, регуляции метаболизма и т.д.
Перекиси и активные кислородные радикалы оказывают также повреждающее
воздействие на структуры клеток и тканей, активируя ПОЛ. Разрушение перекисей и
инактивация свободных радикалов осуществляется с помощью ферментативной и
неферментативной антиокидантной системы.

16. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Внутриклеточная локализация – МАТРИКС МИТОХОНДРИЙ
Процесс включает:
отщепление CO2
отщепление атома водорода
перенос коэнзима А на
ацетильный остаток
пируват
ацетил-CoA
Работает сложноорганизованный комплекс ферментов и кофакторов –
ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНЫЙ КОМПЛЕКС

17. Пируватдегидрогеназный комплекс

Состав и функции компонентов пируватдегидрогеназного комплекса
КОФЕРМЕНТЫ:
Кофермент
Активной формой
какого витамина
является
ТДФ
(тиаминдифосфат)
В1
Декарбоксилирование пирувата
Амид липоевой
кислоты
N
Перенос ацетильного остатка
CoASH
В3
1. Акцептор ацетильного остатка
2. Донор атома водорода
НАД
РР (В5)
ФАД
В2
Функция
Дегидрирование ФАДН2
Дегидрирование восстановленной
формы липоевой кислоты
Порядок включения коферментов в реакцию и сформированные за счёт них устойчивые
комплексы - ферменты:
ТДФ
липоевая кислота
пируватдекарбоксилаза
ацетилтрансфераза
CoASH
ФАД
дигидролипоилдегидрогеназа
НАД

18. Пируватдегидрогеназный комплекс

12 димерных молекул пируватдекарбоксилазы
6 димерных молекул дигидролипоилдегидрогеназы
24 молекулы липоатацетилтрансферазы
Пируватдегидрогеназный комплекс – крупная молекула с молекулярной массой
7-10 млн.
Центральное положение в комплексе занимают полипептидные цепи
субъединиц ацетилтрансферазы, вокруг которых располагаются молекулы
дигидролипоилдегидрогеназы и пируватдегидрогеназы.
Отдельные ферменты соединены друг с другом таким образом, что
серусодержащая часть липоевой кислоты, связанная с ацетилтрансферазой
длинной и гибкой углеводородной цепью, может забирать и переносить
промежуточные продукты реакций последовательно к активным центрам каждого из
трех ферментов.
Поэтому весь комплекс функционирует по принципу конвейера, в котором
образующиеся продукты передаются от одной машины к другой.

19. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируватдегидрогеназный комплекс тесно функционально связан с работой
дыхательной цепи.
НАДН2, образовавшийся на последнем этапе работы комплекса, передаёт
протоны и электроны в полную дыхательную цепь.
СН3
ТДФ, НАД, CoASH
СН3
С=О
С=О
СООН
SCoA
пируват
СО2
НАДН2
ацетилCoA
дыхательная
цепь
½ О2
3 АТФ, Н2О
Путь образования АТФ – окислительное фосфорилирование!!!

20. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса
Активираторы ПВДГК:
высокое содержание пирувата,
инсулин,
АДФ,
НАД,
CoASH
Ингибиторы ПВДГК:
ацетилСоА,
АТФ,
НАДН2
Необходимые условия
для протекания пируватдегидрогеназной реакции:
наличие кислорода!!!!,
витаминов РР, В1, В2, В3, липоевой кислоты и их активных форм,
наличие ионов меди и железа.
Образовавшийся ацетил-СоА
вступает в цикл трикарбоновых кислот

21. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
был впервые описан Гансом Кребсом
в 1937 году.
КРЕБС (Krebs), Ханс
25 августа 1900 г. – 22 ноября 1981 г.
Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1953 г.
(совместно с Фрицем Липманом)
ЦТК является процессом окисления АцетилКоА - универсального продукта катаболизма
углеводов, жиров и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов,
которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней
поверхности внутренней мембраны. В ЦТК участвуют 5 витаминов В1, В2, РР,
пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата,
ФАД, НАД+, КоА и липоата.
Основной функции ЦТК является образование водородных эквивалентов, которые в
цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических
соединений.
Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза,
переаминирования, дезаминирования АК, липогенеза и синтеза гема. Интегрирует все
виды обмена веществ.

22. Значение цикла Кребса

1) ЦТК является конечным этапом окисления всех веществ, поступивших в
клетку. Его можно сравнить со своеобразным “метаболическим котлом”, в котором
в организме полностью сгорают все питательные вещества до своих конечных
продуктов.
2) ЦТК является основным источником энергии в организме, т.к. в ходе реакций
освобождается 60% энергии, заключенной в питательных веществах.
3) В ЦТК образуются вещества, являющиеся донорами водорода для дыхательной
цепи. Все ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий, откуда протоны
и электроны поступают в дыхательную цепь, локализованную на внутренней
мембране.
4) Промежуточные метаболиты ЦТК могут быть использованы для синтеза ряда
биологически важных соединений – аминокислот, углеводов, гемоглобина и др.
Функции ЦТК:
1. Катаболическая
2. Энергетическая
3. Водорододонорная
4. Анаболическая
5. Интегративная

23. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Характеристика реакций цикла трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот включает
восемь ферментативных реакций,
протекающих в матриксе митохондрий.
1. Цитратсинтазная реакция.
CООH
CH3
О
+
C
SCoA
ацетил-СоА
C
C
О
CООН
SCoA
+ Н2О
Оцитратсинтаза CH2
CООH
ОH
CH2
C
CООH
ОH
CH2
C
CООH
оксалоацетат
(ЩУК)
CH2
CH2
CООH
цитрил-СоА
CООH
цитрат
CoASH
Субстрат – ацетилСоА и оксалоацетат
Продукт – цитрат и CoASH
Фермент – цитратсинтаза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - активаторы ЩУК, инсулин, витамин Д3 ;
ингибиторы АТФ, цитрат, сукцинилСоА, жирные кислоты

24. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

2.Аконитазная реакция.
CООН
CООН
CООН
CH2
CH2
CH2
C
CООH
ОH
CH2
CООH
цитрат
- Н2О
аконитаза
C
CООH
+ Н2О
аконитаза
CH
CООH
сis-аконитат
Субстрат – цитрат
Продукт – изоцитрат
Фермент – аконитаза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - нет
НC
CООH
CHOH
CООH
изоцитрат

25. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

3.Изоцитратдегидрогеназная реакция.
CООН
CООН
CООН
CH2
CH2
CH2
изоцитратдегидрогеназа
CООH
НC
НC CООH
CН2
СО2
НАДН2
НАД
CHOH
C O
C O
(прямое
декарбоксилирование
дыхательная цепь
CООH
CООH
CООH
)
α-кетоглутарат
изоцитрат
оксалосукцинат
½ О2
3 АТФ, Н2О
Субстрат – изоцитрат
Продукт – α-кетоглутарат
Фермент – изоцитратдегидрогеназа
Кофермент – НАД
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - активаторы АДФ, Mg2+, Mn2+ ;
ингибиторы НАДН2, паратгормон

26. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

4. α-кетоглутаратдегидрогеназная реакция.
CООН
ТДФ, НАД, CoASH
CH2
CH2
CН2
C
CООН
CН2
O
CООH
α-кетоглутарат
СО2
C
(окислительное
декарбоксилирование)
НАДН2
О
SCoA
сукцинил-СоА
дыхательная
цепь
½ О2
3 АТФ, Н2О
Реакция протекает с участием α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса,
аналогичного пируватдегидрогеназному!!!
Субстрат – α-кетоглутарат
Продукт – сукцинилСоА, CO2
Фермент – α-кетоглутаратдекарбоксилаза, сукцинилтрансфераза,
дигидролипоилдегидрогеназа
Кофермент – НАД, ФАД, ТДФ, CoASH, амид липоевой кислоты
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование

27. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

5. Сукцинаттиокиназная реакция.
CООН
CООН
CH2
+ ГДФ + Н3РО4
CН2
C
О
SCoA
сукцинил-СоА
сукцинаттиокиназа
CH2
+ ГТФ + CoASH
CН2
CООН
сукцинат
ГТФ + АДФнуклеозиддифосфаткиназа ГДФ + АТФ
Субстрат – сукцинилСоА, Н3РО4 , ГДФ
Продукт – сукцинат, ГТФ, CoASH
Фермент – сукцинаттиокиназа
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – 1 АТФ
Механизм образования АТФ – субстратное фосфорилирование
Регуляция - нет

28. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

6. Сукцинатдегидрогеназная реакция.
CООН
CH2
CН2
CООН
сукцинат
CООН
сукцинатдегидрогеназа
ФАД
ФАДН2
дыхательная цепь
CH
НC
CООН
фумарат
½ О2
2 АТФ, Н2О
Субстрат – сукцинат
Продукт – фумарат
Фермент – сукцинатдегидрогеназа
Кофермент – ФАД
Энергетическая эффективность – 2 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - нет

29. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

7. Фумаразная реакция.
CООН
CH
НC
+ Н2О
фумараза
CООН
фумарат
Субстрат – фумарат, вода
Продукт – малат
Фермент –фумараза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - нет
CООН
CHОН
CН2
CООН
малат

30. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

8. Малатдегидрогеназная реакция.
CООН
CHОН
CН2
CООН
малат
CООН
малатдегидрогеназа
НАД
НАДН2
дыхательная цепь
C
О
CН2
CООН
оксалоацетат
½ О2
3 АТФ, Н2О
Субстрат – малат
Продукт – оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота, ЩУК)
Фермент – малатдегидрогеназа
Кофермент – НАД
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - активатор НАД,
ингибитор НАДН2

31. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Хотя цикл Кребса изображают в виде замкнутого ферментативного
процесса,
на участке от сукцината до оксалоацетата реакции являются
обратимыми.
Поэтому эта ветвь может функционировать в обратном направлении,
то есть оксалоацетат может превращаться в метаболиты цикла Кребса вплоть
до сукцината.
Такая возможность реализуется в тех случаях, когда оксалоацетат интенсивно
синтезируется из других субстратов.
Причины нарушений цикла трикарбоновых кислот
Недостаточное поступление кислорода в клетку (гипоксия)
Недостаток отдельных компонентов цикла, вследствие их утилизации по другим
метаболическим путям или недостаточного восполнения в ходе реакций цикла
Недостаток витаминов, необходимых для нормального функционирования цикла
Кребса.

32. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Анаболические реакции цикла Кребса
Цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для
биосинтетических процессов:
сукцинил-СоА - биосинтез порфиринов, гема и гемоглобина
оксалоацетат – глюконеогенез, образование аспарагиновой кислоты
α-кетоглутарат – образование глутаминовой кислоты
Поэтому утилизация промежуточных метаболитов цикла на цели биосинтеза
должна обязательно сопровождаться их дополнительным образованием за счет других
источников – анаплеротическими реакциями (от греч. – “пополнять”).
Одной из основных анаплеротических реакций является образование
оксалоацетата путем карбоксилирования пирувата при участии пируваткарбоксилазы.
Пируваткарбоксилаза локализована в митохондриях, состоит из 4 субъединиц,
каждая из которых содержит связанный ион Мn2+ и витамин Н (биотин), выполняющий
коферментную функцию.
CООH
АТФ
АДФ + Н3РО4
CООH
C
О
C
О+ СО2
пируваткарбоксилаза
CH2
CH3
CООH
пируват
оксалоацетат

33. Вопросы для письменного ответа

1.
2.
3.
4.
5.
Дайте определение терминам «биологическое окисление», «катаболизм»,
«метаболизм», «анаболизм», «макроэргическая связь», «эндергоническая и
экзергоническая реакция», «тканевое дыхание», «амфиболический путь
метаболизма». Какой этап метаболизма протекает анаэробно, а какой не может
быть реализован в отсутствии кислорода?
ОДПВК – что это за процесс, дл чего он нужен, какой продукт образуется в
результате и что с этим продуктом происходит дальше. Без каких коферментов
данный процесс невозможен?
Пируватдегидрогеназный комплекс (система) – почему он так называется, в чем
особенность его функционирования?
ЦТК – биохимический смысл процесса, особенности протекания, 8 реакций с
указанием ферментов и их коферментов
Укажите обратимые и необратимые реакции цикла Кребса. Как осуществляется
регуляция ЦТК?
English     Русский Правила