Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ивановская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации КАФЕДРА БИОХИМИИ Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
АМФ АДФ АТФ АДЕНИН РИБОЗА остаток фосфорной кислоты остаток фосфорной кислоты остаток фосфорной кислоты АТФ – универсальный донор свободной энергии для: физической работы химической работы электрической работы осмотической работы При образовании АТФ энергия КУМУЛИРУЕТСЯ, а НЕ ДЕПОНИРУЕТСЯ! Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
фосфорилирование АДФ + Н 3 РО 4 АТФ за счёт разрыва макроэргических связей субстрата за счёт дегидрирования субстрата и переноса атомов водорода на молекулу О 2 СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИЯ Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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. II этап – специфические пути катаболизма всосавшихся мономеров. III этап – общий путь катаболизма. Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ ЖИРЫ 20 аминокислот моносахариды глицерин жирные кислоты пировиноградная кислота (ПВК) ацетил- СоА щавелевоуксусная кислота (ЩУК) α -кетоглутаровая кислота ( α -КГ) Цикл трикарбоновых кислот СО 2 энергия Н 2 О I этап II этап III этап Фазы освобождения энергии из питательных веществ Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Фазы освобождения энергии из питательных веществ щавелевоуксусная кислота (ЩУК) пировиноградная кислота (ПВК) ацетил- СоА α -кетоглутаровая кислота ( α -КГ) БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ ЖИРЫ ЦТК СО 2, Н 2 О, АТФ Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Внутриклеточная локализация – МАТРИКС МИТОХОНДРИЙ Процесс включает: отщепление CO 2 отщепление атома водорода перенос коэнзима А на ацетильный остаток Работает сложноорганизованный комплекс ферментов и кофакторов – ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНЫЙ КОМПЛЕКС пируват а цетил- CoA Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Состав и функции компонентов пируватдегидрогеназного комплекса КОФЕРМЕНТЫ: Кофермент Активной формой какого витамина является Функция ТДФ ( тиаминдифосфат ) В 1 Декарбоксилирование пирувата Амид липоевой кислоты N Перенос ацетильного остатка CoASH В 3 Акцептор ацетильного остатка Донор атома водорода НАД РР (В 5 ) Дегидрирование ФАДН 2 ФАД В 2 Дегидрирование восстановленной формы липоевой кислоты Порядок включения коферментов в реакцию и сформированные за счёт них устойчивые комплексы - ферменты: ТДФ липоевая кислота CoASH ФАД НАД пируват - декарбоксилаза ацетил- трансфераза дигидролипоил - дегидрогеназа Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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.
СН 3 С=О СОО Н СН 3 С=О SCoA СО 2 НАД Н 2 дыхательная цепь ½ О 2 3 АТФ, Н 2 О ТДФ, НАД, CoAS H пируват ацетил- CoA Пируватдегидрогеназный комплекс тесно функционально связан с работой дыхательной цепи. НАДН 2, образовавшийся на последнем этапе работы комплекса, передаёт протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Путь образования АТФ – окислительное фосфорилирование !!! Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса Активираторы ПВДГК : высокое содержание пирувата, инсулин, АДФ, НАД, CoASH Ингибиторы ПВДГК : ацетилСоА, АТФ, НАДН 2 Необходимые условия для протекания пируватдегидрогеназной реакции: наличие кислорода!!!!, витаминов РР, В 1, В 2, В 3, липоевой кислоты и их активных форм, наличие ионов меди и железа. Образовавшийся ацетилСоА вступает в цикл трикарбоновых кислот Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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 ) Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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. ЦТК является основным источником энергии в организме, т.к. в ходе реакций освобождается 60% энергии, заключенной в питательных веществах. 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. Промежуточные метаболиты ЦТК могут быть использованы для синтеза ряда биологически важных соединений – аминокислот, углеводов, гемоглобина и др. Функции ЦТК: Катаболическая Энергетическая Водорододонорная Анаболическая Интегративная Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Характеристика реакций цикла трикарбоновых кислот Цикл трикарбоновых кислот включает восемь ферментативных реакций, протекающих в матриксе митохондрий. 1. Цитратсинтазная реакция. CH 3 C О SCoA + C ОО H C О CH 2 C ОО H CH 2 цитратсинтаза О C C ОО H C C ОО H SCoA CH 2 О H C О ОН C ОО H C C ОО H CH 2 О H CH 2 + Н 2 О CoAS H ацетил- СоА оксалоацетат ( ЩУК) цитрил-СоА цитрат Субстрат – ацетилСоА и оксалоацетат Продукт – цитрат и CoASH Фермент – цитратсинтаза Кофермент – нет Энергетическая эффективность – нет Механизм образования АТФ – нет Регуляция - активаторы ЩУК, инсулин, витамин Д 3 ; ингибиторы АТФ, цитрат, сукцинилСоА, жирные кислоты Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
2.Аконитазная реакция. C ООН C ОО H C C ОО H C H 2 О H CH 2 C ООН C ОО H C C ОО H CH CH 2 + Н 2 О - Н 2 О цитрат с is- аконитат аконитаза аконитаза Н C изоцитрат C ОО H C ООН C ОО H CH OH CH 2 Субстрат – цитрат Продукт – изоцитрат Фермент – аконитаза Кофермент – нет Энергетическая эффективность – нет Механизм образования АТФ – нет Регуляция - нет Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
3.Изоцитратдегидрогеназная реакция. Н C изоцитрат C ОО H C ООН C ОО H C H O H CH 2 оксалосукцинат Н C C ОО H C ООН C ОО H C O CH 2 C Н 2 C ООН C ОО H C O CH 2 α - кетоглутарат СО 2 (прямое декарбоксилирование ) изоцитратдегидрогеназа НАД НАД Н 2 дыхательная цепь ½ О 2 3 АТФ, Н 2 О Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – изоцитрат Продукт – α - кетоглутарат Фермент – изоцитратдегидрогеназа Кофермент – НАД Энергетическая эффективность – 3 АТФ Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование Регуляция - активаторы АДФ, Mg 2+, Mn 2+ ; ингибиторы НАДН 2, паратгормон Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
4. α- кетоглутаратдегидрогеназная реакция. Реакция протекает с участием α- кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, аналогичного пируватдегидрогеназному !!! C Н 2 C ООН C ОО H C O CH 2 α - кетоглутарат СО 2 НАД Н 2 дыхательная цепь ½ О 2 3 АТФ, Н 2 О ТДФ, НАД, CoAS H сукцинил-СоА C Н 2 C ООН C CH 2 О SCoA (окислительное декарбоксилирование ) Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – α - кетоглутарат Продукт – сукцинилСоА, CO 2 Фермент – α - кетоглутаратдекарбоксилаза, сукцинилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа Кофермент – НАД, ФАД, ТДФ, CoASH, амид липоевой кислоты Энергетическая эффективность – 3 АТФ Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
5. Сукцинаттиокиназная реакция. сукцинил-СоА C Н 2 C ООН C CH 2 О SCoA + ГДФ + Н 3 РО 4 сукцинаттиокиназа сукцинат C Н 2 C ООН CH 2 C ООН + ГТФ + CoASH ГДФ + АТФ ГТФ + АДФ нуклеозиддифосфаткиназа Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – сукцинилСоА, Н 3 РО 4, ГДФ Продукт – сукцинат, ГТФ, CoASH Фермент – сукцинаттиокиназа Кофермент – нет Энергетическая эффективность – 1 АТФ Механизм образования АТФ – субстратное фосфорилирование Регуляция - нет Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
6. Сукцинатдегидрогеназная реакция. сукцинат C Н 2 C ООН CH 2 C ООН ФАД ФАД Н 2 дыхательная цепь ½ О 2 2 АТФ, Н 2 О сукцинатдегидрогеназа фумарат Н C C ООН CH C ООН Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – сукцинат Продукт – фумарат Фермент – сукцинатдегидрогеназа Кофермент – ФАД Энергетическая эффективность – 2 АТФ Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование Регуляция - нет Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
7. Фумаразная реакция. фумарат Н C C ООН CH C ООН + Н 2 О фумараза малат C Н 2 C ООН CH ОН C ООН Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – фумарат, вода Продукт – малат Фермент – фумараза Кофермент – нет Энергетическая эффективность – нет Механизм образования АТФ – нет Регуляция - нет Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
8. Малатдегидрогеназная реакция. малат C Н 2 C ООН C H О Н C ООН НАД НАД Н 2 дыхательная цепь ½ О 2 3 АТФ, Н 2 О малатдегидрогеназа оксалоацетат C Н 2 C ООН C О C ООН Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Субстрат – малат Продукт – оксалоацетат ( щавелевоуксусная кислота, ЩУК) Фермент – малатдегидрогеназа Кофермент – НАД Энергетическая эффективность – 3 АТФ Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование Регуляция - активатор НАД, ингибитор НАДН 2 Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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. Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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 Мn 2+ и витамин Н (биотин), выполняющий коферментную функцию. C ОО H C О CH 2 C ОО H C ОО H C О CH 3 + СО 2 АТФ АДФ + Н 3 РО 4 пируват оксалоацетат пируваткарбоксилаза Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
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. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
Лектор: к.б.н., доц. О.В.Гришина
