Энергетический обмен

1.

«Энергетический обмен»
Косенков Дмитрий Александрович
Первый МГМУ им И.М. Сеченова
Курс лекций кафедры
биологической химии
11 сентября 2017 года

2.

Метаболизм
АТФ
Анаболизм
(совокупность
процессов
синтеза)
Катаболизм
(совокупность
процессов
распада)
АДФ

3.

Жиры
Жирные
кислоты
Углеводы
Глицерол Глюкоза
Белки
Аминокислоты
Специфические
пути катаболизма
Пируват
Ацетил~КоА
Источник
метаболитов
Общий путь
катаболизма
Цикл Кребса
Основной
источник
энергии

4.

Переносчики H+:
NADH
FADH2
АТФ

5.

Чарльз Александер
МакМунн
Дэвид Кейлин

6.

Межмембранное пространство
Внутренняя мембрана митохондрий
Матрикс митохондрий

7.

Fe+3 ↔ Fe+2
nH+
Гидрохинон
Убихинон Убихинол
nH+
nH+
QH
FeS
I
c
QH2
Q
FMNH2
FADH2
II
FMN
FAD
FeS
b1 III
b2
c1
a
IV
a3
V
Cu+2
Cu+
Фумарат
АТФ
½O2
H2O АДФ
Сукцинат
++
+
+
2H
NADH
NAD
H3PO4
I – NADH-дегидрогеназа
II – Сукцинатдегидрогеназа
nH+
III – Убихинолдегидрогеназа
Оксалоацетат Малат
IV – Цитохромоксидаза V – АТФ-синтаза

8.

nH+
nH+
nH+
АТФ/
АДФтранслоказа
I
IV
III
V
FADH2
II
FAD
NADH
Сукцинат
½O2
H2O АДФ АТФ
АТФ
Доноры электронов: NADH и условно FADH2
АДФ
Конечный акцептор электронов: атом кислорода ½O2
Тратится O2, происходит тканевое дыхание, поэтому ЦПЭ также называют Дыхательная цепь
На цепи происходит СОПРЯЖЕНИЕ ДЫХАНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Точки сопряжения дыхания и фосфорилирования – комплексы I, III и IV

9.

nH+
nH+
I
III
nH+
IV
V
FADH2
II
NADH
2H+ + ½O2
АТФ
H2O АДФ
+
H3PO4 (Pi)
Способ синтеза АТФ в ЦПЭ: ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Коэффициент окислительного фосфорилирования (P/O) – отношение
числа фосфатов, пошедших на синтез АТФ, к числу атомов кислорода,
пошедших на синтез воды, при переносе электронов от одного донора
Для NADH = 3/1 = 3
Для FADH2 = 2/1 = 2

10.

nH+
nH+
nH+
АТФ/
АДФтранслоказа
I
III
IV
V
II
FAD
NADH
Сукцинат
½O2
H2O АДФ АТФ
+
- Доступность доноров электронов=переносчиков H
АТФ
- Доступность кислорода
- Соотношение АТФ/АДФ в клетке, в основном в цитозоле
(когда АТФ много – работа ЦПЭ останавливается)
АДФ
Таким образом, работа ЦПЭ зависит от метаболической активности клетки

11.

Барбитураты
(амитал),
Ротенон
Малонат
I
Антимицин А
CO, H2S,
цианиды
(KCN)
Олигомицин
III
IV
V
II
Ингибиторы ЦПЭ – останавливают перенос электронов по цепи
В результате действия ингибиторов ЦПЭ:
- останавливается перенос электронов
- останавливаются процессы окисления в клетках
(накапливаются переносчики водорода: NADH, FADH2)
- останавливается потребление кислорода
- прекращается синтез АТФ

12.

-
R-COO
I
R-COOH
III
IV
V
II
-
R-COO
R-COOH
К разобщителям относятся: краситель 2,4-динитрофенол, жирные
кислоты, билирубин, тироксин, антикоагулянт дикумарол…
В результате разобщения дыхания и фосфорилирования:
- не прекращается перенос электронов;
- не останавливаются процессы окисления в клетках;
- не останавливается потребление кислорода;
- СНИЖАЕТСЯ синтез АТФ

13.

14.

O
COOH
C=O
+ HSKoA + NAD+
CH3 C ~ SKoA + NADH + CO2
Ацетил-КоА
CH3
Пируват
NAD+
NADH
CH3
E3-FADH2
CH-OH
CO2
E2
E1
(ТДФ)
Пируватдекарбоксилаза
ЛК
S
S
Дигидролипоилацетилтрансфераза
COOH
C=O
CH3
Пируват
Дигидролипоилдегидрогеназа
E3-FAD
E2
ЛК
HS
SH
E2
E1
H
(ТДФ)
O
CH3-C-S
ЛК
O
SH
CH3 C ~ SKoA
HSKoA Ацетил-КоА

15.

5 ферментов, 5 коферментов, превращение проходит в 5 этапов
Ферменты ПДК:
- пируватдекарбоксилаза;
- дигидролипоилацетилтрансфераза;
- дигидролипоилдегидрогеназа;
- киназа;
- фосфатаза
Коферменты ПДК:
- тиаминдифосфат (ТДФ);
- липоевая кислота (ЛК);
- кофермент А (HSKoA);
- никотинамидадениндинуклеотид (NAD+);
- флавинадениндинуклеотид (FAD)

16.

Фосфорилирование-дефосфорилирование
(активна дефосфорилированная форма)
Аллостерическая регуляция
Для киназы ПДК:
(активаторы – ацетил-КоА, NADH, АТФ)
(ингибиторы – пируват, АДФ, кофермент А)
Для фосфатазы ПДК:
(активаторы – ионы Ca2+)
Для ПДК в целом:
(активаторы – пируват, АДФ, кофермент А, NAD+, Ca2+)
(ингибиторы – ацетил-КоА, NADH, АТФ)
Индукция синтеза фосфатазы
(вызывается инсулином)

17.

1 молекула NADH, которая в ЦПЭ приводит к образованию
3 молекул АТФ

18.

Альберт
Сент-Дьёрди
Ганс Адольф Кребс

19.

O
O
OH
CH
COOH
CH2
COOH
Малат
NAD+
NADH
C
CH3 C ~ SKoA
CH2 COOH
Ацетил-КоА
COOH
HO C COOH
CH2
Малатдегидрогеназа COOH
Оксалоацетат
CH COOH
HO
CH COOH
CH2
CH2
HSKoA
Цитратсинтаза
Аконитаза COOH
COOH
Цитрат
Изоцитрат
NAD+
Изоцитратдегидрогеназа
NADH
Фумараза
CO2
H2O
Сукцинаттиокиназа ГДФ
NAD+ O C COOH
NADH
СукцинатCH2
C
~
SKoA
O
+
дегидрогеназа
ГТФ
H3PO4
CH2
CH COOH
CH2 COOH
CH2
HSKoA
COOH
CO
2
CH
CH2
CH2
Альфа-кетоглутарат
COOH
COOH
Альфа-кетоглутаратCOOH
HSKoA
FADH2 FAD
дегидрогеназный
Сукцинат
Сукцинил-КоА
Фумарат
комплекс

20.

В клетке существует 2 способа синтеза молекулы АТФ:
- окислительное фосфорилирование (в ЦПЭ за счет
энергии электрона)
- субстратное фосфорилирование (в метаболических
реакциях за счет энергии в субстратах реакции)
Малатдегидрогеназа O
OH
CH
C
COOH
COOH
CH2
CH2
COOH
O
NAD+
NADH
Малат
COOH
Оксалоацетат
АТФ (в ЦПЭ)
Окислительное фосфорилирование
C ~ SKoA
Сукцинаттиокиназа
CH2
HSKoA CH
2
CH2
CH2
H3PO4
COOH
Сукцинил-КоА + ГДФ
АТФ
COOH
COOH
ГТФ
Сукцинат
АДФ
Субстратное фосфорилирование

21.

Анаплеротические («восполняющие») реакции – реакции
клеточного метаболизма, повышающие концентрацию
субстратов метаболического пути, образуя их в других
метаболических путях
Концентрация
каждого
метаболита
общего
пути
катаболизма может восполняться из других метаболических
путей

22.

Регуляторные ферменты процесса:
1. Цитратсинтаза:
Аллостерическая регуляция
(активатор – оксалоацетат)
(ингибиторы – цитрат, NADH, АТФ, сукцинил-КоА)
2. Изоцитратдегидрогеназа:
Аллостерическая регуляция
(активаторы – АДФ, ионы Ca2+)
(ингибиторы – NADH)
3. Альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс:
Аллостерическая регуляция
(активаторы – ионы Ca2+)
(ингибиторы – NADH, АТФ, сукцинил-КоА)

23.

Энергетический выход цикла Кребса:
3 молекулы NADH => 9 молекул АТФ
1 молекула FADH2 => 2 молекулы АТФ
1 молекула АТФ
Итого: 12 молекул АТФ
Энергетический выход ПДК:
3 молекулы АТФ
Энергетический выход общего пути катаболизма (из пирувата):
15 молекул АТФ

24.

Таким образом, энергия, выделяющаяся в ходе
катаболизма органических веществ в организме, не
сразу используется клеткой, но запасается в виде
молекулы АТФ, а также других высокоэнергетических
соединений…

25.

Тема следующей лекции:
«Обмен углеводов»
Продолжение следует…

26.

Благодарю за внимание!