БИОЭНЕРГЕТИКА Источником химической энергии, используемым организмом для выполнения всех видов работ является ЭНЕРГИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. Высвобождение энергии осуществляется в результате окислительно-восстановительного распада углеводов, жиров, белков. Часть этой энергии затрачивается на создание АТФ – аккумулятора энергии в организме. Процессы высвобождения и затрачивания энергии протекают в митохондриях, которые иначе называют "энергетическими станциями клетки". Строение митохондрии: Основной источник энергии в клетке- окисление субстратов кислородом. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ- процесс, в котором субстраты теряют протоны и электроны, промежуточные переносчики- акцепторы и доноры протонов и электронов (NAD, NADH, FAD, FAD.H2, FMN, FMN.H2, цитохромы, убихинон и т.п.), а кислород (при аэробном дыхании) является акцептором. При анаэробном окислении в качестве акцепторов могут выступать другие соединения. Одними из главных переносчиков являются цитохромы- белки-хромопротеиды, способные переносить электроны благодаря наличию у них простетической группы, по структуре напоминающей ГЕМ, но отличающиеся от него тем, что железо в его составе способно менять степень окисления: Fe2+ -->Fe3+ + eCХЕМА ОКИСЛЕНИЯ (ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ) Энергия связи Р2-Р3 в АТФ равна примерно 7,1 ккал/моль, таким образом, при окислении запасается около 21,3 ккал/моль (или 40 %) от всей выделившейся энергии. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ (СОПРЯЖЕННОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ) Сопряжение тканевого дыхания с окислительным фосфорилированием обеспечивается внутренней митохондриальной мембраной (ВММ), целостность которой обуславливает возникновение движущей силы синтеза АТФ-протонного потенциала. В результате переноса по дыхательной цепи пары электронов от NADH до кислорода происходит перекачивание протонов из матрикса на цитоплазматическую поверхность создается рН градиент (в и случае переноса от NADH – 6 протонов, от FAD.H2 (FMN.H2) Движение – протонов протона). 4 в обратном направлении (по каналу фактора Fo) ведет к активации АТФ- синтетазы (фактор F1) и синтезу АТФ из АДФ и фосфата. Транспорт АТФ из матрикса в цитоплазму осуществляется переносчиком – транслоказой- этот фермент катализирует перенос одной молекулы АТФ из матрикса в обмен на одну модекулу Нарушение фосфата АДФ транспорта приводит синтеза АТФ. к в матрикс. АДФ или торможению ГРУППА СОЕДИНЕНИЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ. 1) ингибиторы дегидрогеназ 2) ингибиторы дыхания 3) разобщители окислительного фосфорилирования 4) ингибиторы фосфорилирования 1. Ингибиторы дегидрогеназ. Действие выражается в препятствовании окислению субстратов, чем снижается выделение водорода в дыхательную цепь: - производные NAD, FAD; - тяжелые металлы и мышьяк (III) (блокирование SH- групп дегидрогеназ); - малонат – конкурент сукцинатдегидрогеназы. 2. Блокирование звеньев образования протонного потенциала (барбамил, ротенон). а) Прерывают поступление Н от NADH, т. е. от субстратов, окисляющихся NADзависимыми дегидрогеназами (возможно, и FAD- зависимыми). б) CN-, азиды, СО- блокируют цитохромоксидазы, передачу водорода на кислород. Возникает ситуация кислородного голодания, хотя кислород наличествует в избытке. Выключается протонный градиент и связанное с ним фосфорилирование. Наступает энергетический голод и прекращается жизнедеятельность. (ПРИМЕР- ядовитость KCN). 3. Разобщители окислительного фосфорилирования. Способствуют перетоку протонов в обход АТФ-синтетазы, что прекращает фосфорилирование, а идет только одно дыхание (с выделением тепла). а) протонофоры б) ионофоры а) R-COO- + H+ —>R-COOH —>(мембрана) —> R-COO- + H+ б) полипептидные антибиотики- создают дыры в мембране, проходимые для ионов и протонов. Грамицидин А вызывает гибель аэробных микроорганизмов, нарушая проницаемость их клеточной мембраны и разобщая дыхание и фосфорилирование, которое у них идет в клетке, а не в митохондриях, как у млекопитающих. 4. Ингибиторы фосфорилирования (олигомицин). Нарушают проток протонов по каналу Fo, одновременно ингибируя синтез АТФ в активном центре F1. Фосфорилирование прекращается, а с ним прекращается и дыхание. ПРОТОНОФОРЫ снимают угнетающее влияние ингибиторов на дыхание, хотя фосфорилирование остается подавленным. НЕФОСФОРИЛИРУЮЩЕЕ ОКИСЛЕНИЕ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ, КАК МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В МИТОХОНДРИЯХ Сопряжение дыхания и фосфорилирования не всегда обязательно, иногда оно протекает с простым выделением теплоты. Митохондрии- клеточные печки, особенно их много в жировых клетках, отчего те имеют бурый цвет. Преимущественное протекание выделения теплоты вызвано: а) наличием разобщителей (жирных кислот); б) 10-кратным превышением количества ферментов дыхания по сравнению с ферментами фосфорилирования. Бурый жир – много у новорожденных и зимоспящих животных (согревание кровотока).