Презентация по Биологии "Биологические окисления"

• 1 слайд

  ЛЕКЦИЯ № 4
  Биологическое
  окисление-1
  Дисциплина: Биохимия
  

• 2 слайд

  Обмен энергии
  

• 3 слайд

  Катаболизм – реакции, в которых сложные вещества распадаются на более простые. Сопровождаются выделением энергии.
  Анаболизм – реакции, в которых из простых веществ синтезируются сложные вещества. Сопровождаются потреблением энергии.
  
  Энергия
  Тепло
  АТФ
  

• 4 слайд

  АТФ
  Ангидридные связи
  

• 5 слайд

  Синтез АТФ
  Синтез АТФ
  в митохондриях
  β-окисление ЖК
  Цикл Кребса
  Цепь ОФ
  Синтез АТФ
  в цитоплазме
  гликолиз
  

• 6 слайд

  АДФ + Фн АТФ
  Механизмы синтеза АТФ
  Энергия электрохимического потенциала
  2. Окислительное фосфорилирование
  АДФ (А-Ф~Ф) АТФ (А-Ф~Ф~Ф )
  Энергия химической связи
  1. Субстратное фосфорилирование
  Субстрат~Ф Продукт
  НАДН2 + ½О2 НАД+ + Н2О
  Субстрат-H2
  
  Продукт
  НАД+
  ~
  

• 7 слайд

  Митохондрии
  Ключевую роль в энергетическом обмене клетки играют митохондрии
  Наружная мембрана (содержит белок порин – поры 2-3нм, высокая проницаемость молекул до 5кДа. Также есть переносчики для крупных молекул)
  Межмембранное пространство (10-20нм, состав похож на цитоплазму)
  Внутренняя мембрана (имеет складки, содержит белки 70% (ферменты ЦОФ, транспортные), фосфолипид кардиолипин с 4 ЖК, непроницаема для протонов)
  Матрикс (до 50% белков: ферменты ЦТК, β-окисления ЖК, АТ и др., мтДНК, мтРНК, рибосомы)
  

• 8 слайд

  Митохондрии
  Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК
  NADH-дегидрогеназа (комплекс I)
  Кофермент Q
  цитохром c редуктаза/Цитохром b (комплекс III)
  цитохром c оксидаза (комплекс IV)
  АТФ-синтаза (комплекс V)
  рРНК
  тРНК
  У человека в митохондриях 16565 пар нуклеотидов и содержит 37 генов:
  13 кодируют биосинтез белков,
  22 являются матрицей для тРНК,
  2 являются матрицей для рРНК
  

• 9 слайд

  История развития учения о биологическом окислении
  Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский химик – в 1777г. впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О2. Т.к. горение и дыхание сопровождаются потреблением О2 и выделение СО2, он предположил что, в их основе лежит один процесс.
  Но у дыхания были существенные отличия от горения, идёт:
  при низкой температуре;
  без пламени;
  в присутствии воды.
  
  
  

• 10 слайд

  В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.
  Алексей Николаевич Бах (1857 – 1946).
  В 1897г сформулировал «ПЕРЕКИСНУЮ ТЕОРИЮ МЕДЛЕННОГО ОКИСЛЕНИЯ», согласно которой молекула О2 сначала активируется в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам – оксидазам. Активированный О2 при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.
  
  

• 11 слайд

  В.И. Палладин (1859–1922) – русский ученый ботаник и биохимик – создал теорию «АКТИВАЦИИ ВОДОРОДА», предположив, что окисление субстратов может происходить в 2 стадии:
  Анаэробная фаза: особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH2).
  Аэробная фаза: Восстановленные хромогены RH2 передают Н на О2.
  
  

• 12 слайд

  Отто Генрих Варбург открыл фермент(E) – цитохромоксидазу, работающую на заключительном этапе БО. Процесс БО представляет не только процессы дегидрирования, но и активирования О2 железосодержащими E.
  Кейлин Дейвид (1881-1963) открыл цитохромы. Установил, что они способны передавать H+ и e- с окисляемого S на O2.
  Шенбайн показал, что БО – каталитический процесс, в котором используется активный кислород.
  
  В дальнейшем значительный вклад в исследование БО внесли ряд и других учёных.
  Вот некоторые из них:
  

• 13 слайд

  Генрих Отто Виланд установил, что процесс окисления может реализоваться в анаэробных условиях с использованием элементов воды.
  
  
  

• 14 слайд

  Современные представления
  о биологическом окислении
  Согласно современной теории БО:
  окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях;
  в аэробных организмах существует несколько путей использования О2;
  реакции БО необходимы для:
  получения энергии;
  синтеза новых веществ;
  разрушения чужеродных веществ;
  БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты -оксидоредуктазы.
  

• 15 слайд

  Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения / отщепления:
  
  1) 1 е-;
  
  
  2) 2е- и 2Н+;
  
  
  3) атомов кислорода
  Субстрат-H2 + R Продукт + RH2
  Субстрат-H2 + ½O2 Продукт + H2O
  Цит1(Fe3+) + Цит2(Fe2+) Цит1(Fe2+) + Цит2(Fe3+)
  Основные понятия БО
  

• 16 слайд

  В ОВР вступают 2 вещества и 2 вещества образуются.
  Одно вещество окисляется другое восстанавливается:
  Субстрат-H2 + R Продукт + RH2
  Окисленная и восстановленная формы одного соединения, образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару
  редокс-пара
  редокс-пара
  Редокс-пары отличаются сродством к е-,
  мерой сродства служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал: Ео' (Вольт)
  Субстрат БО
  Окислитель
  

• 17 слайд

  Каждое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е).
  Часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения полезной работы, называют свободной (G).
  ∆G = Ео'(SH2/S) – Ео'(R/RH2)
  -0,42В
  НАДН2
  О2
  +0,82В
  е-
  ∆G =-1,12= 0,82- (-0,32)
  

• 18 слайд

  Биологическое окисление (БО) - совокупность окислительно-восстановительных реакций в живых клетках.
  Особенности реакций БО:
  протекают в аэробных и анаэробных условия;
  катализируются оксидоредуктазами;
  являются многостадийным процессом;
  Существует несколько путей их использования: основной - синтез АТФ (90%), а также синтез новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.
  Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (вещества, способные вступать в реакции окисления)
  Субстрат-H2
  

• 19 слайд

  Дыхательная цепь – цепь переноса электронов.
  В переносе электронов от субстратов БО к О2 принимают участие:
  НАД– и НАДФ– зависимые ДГ;
  ФАД– и ФМН– зависимые ДГ;
  Цитохромы;
  Коэнзим Q;
  Белки, содержащие негеминовое железо.
  

• 20 слайд

  -0,42В
  +0,82В
  Н2
  О2
  е-
  АТФ
  АТФ
  АТФ
  Дыхательная цепь – цепь переноса е-
  ДГ, KoQ, цит,
  FeS-белки
  

• 21 слайд

  В настоящее время выделено 4 основные пути использования О2 в организме:
  Оксидазный путь
  Функция: 90% О2 используется для синтеза АТФ;
  Монооксигеназный путь (Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата)
  Функции:
  синтез новых веществ (стероидные гормоны),
  обезвреживание ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР;
  Пути использования О2 в клетке
  

• 22 слайд

  Диоксигеназный путь (Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата)
  Функция:
  деградация АК;
  синтез новых веществ;
  Свободно-радикальный путь
  Функции:
  внутриклеточное пищеварение;
  разрушение бактерий, вирусов, онко- и стареющих клеток;
  образование БАВ.
  
  

• 23 слайд

  Этапы унифицирования энергии пищевых веществ
  и образования субстратов тканевого дыхания
  Омыляемые липиды
  Углеводы
  Белки
  Глицерин
  Глюкоза
  А
  м
  и
  н
  о
  к
  и
  с
  л
  о
  т
  ы
  П
  и
  р
  у
  в
  а
  т
  А
  ц
  е
  т
  и
  л
  -
  К
  о
  А
  H
  S
  -
  K
  o
  A
  Жирные
  кислоты
  

• 24 слайд

  АДФ + Фн
  О2
  н2о
  АТФ
  2
  е
  -
  2
  н
  +
  Д
  ы
  х
  а
  т
  е
  л
  ь
  н
  а
  я
  
  ц
  е
  п
  ь
  2
  е
  -
  2
  н
  +
  2
  е
  -
  2
  н
  +
  2
  е
  -
  2
  н
  +
  ЦТК
  Ацетил-КоА
  ЩУК
  ПВК
  

• 25 слайд

  II этап. Образование Ацетил-КоА
  

• 26 слайд

  ЦТК является процессом окисления Ацетил–КоА - универсального продукта катаболизма углеводов, белков и омыляемых липидов;
  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.
  III этап. Цикл Кребса
  (цикл трикарбоновых кислот)
  

• 27 слайд

  Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
  Цис-аконитат
  Изоцитрат
  Сукцинил - КоА
  Сукцинат
  Цитрат
  Оксалоацетат
  Малат
  Фумарат
  Н2О
  Е-ФАДН2
  Е-ФАД
  НАДН2
  НАД+
  Ацетил-КоА
  HS-KoA
  Н2О
  Н2О
  НАД+
  НАДН2
  СО2
  НАД+
  НАДН2
  НS-KoA
  CO2
  Н2О
  ГТФ
  HS-KoA
  H3PO4 + ГДФ
  12 АТФ
  МДГ
  СДГ
  ИДГ
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  -кетоглутарат
  

• 28 слайд

  1. Цитратсинтазная реакция
  
  Активаторы: ЩУК, НАД+, АМФ, АДФ;
  Ингибиторы: АТФ, НАДН2, Сукцинил-КоА, цитрат.
  Синтез жирных кислот, ТГ, ФЛ
  

• 29 слайд

  2. Аконитазная реакция
  3. Изоцитратдегидрогиназная реакция
  Самая медленная реакция ЦТК
  Синтез Глу
  

• 30 слайд

  4.α-Кетоглутаратдегидрогиназная реакция
  Активаторы: ионы Са;
  Ингибиторы: АТФ, сукцинил-КоА, НАДH2;
  α-КГДГ комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД+, ФАД.
  Синтез гема
  

• 31 слайд

  5. Сукцинил-КоА-синтетазная реакция
  Это - единственная стадия ЦТК, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне;
  Это реакция субстратного фосфорилирования.
  
  Субстратное фосфорилирование
  

• 32 слайд

  6. Сукцинатдегидрогиназная реакция
  СДГ является флавопротеином, состоящим из 2 субъединиц: Fe2S2 и Fe4S4, одна из которых связана с ФАД;
  Ингибитор: ЩУК и Сукцинил–КоА.
  

• 33 слайд

  7. Фумаразная реакция
  Фумараза специфична к L-изомеру малата;
  Она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации;
  

• 34 слайд

  8. Малатдегидрогиназная реакция
  Ингибитор: НАДН2 Активатор: НАД+
  Синтез Асп
  

• 35 слайд

  Энергетический баланс одного оборота ЦТК
  В 4 ОВР ЦТК образуются 3 НАДН2 и
  1 ФАДН2, которые направляются далее в
  дыхательную цепь окислительного
  фосфорилирования.
  В процессе окислительного фосфорилирования из 1 НАДН2 образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН2 – 2 АТФ.
  Из ГТФ, образующейся в ЦТК, синтезируется 1 АТФ:
  ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ
  Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН2, 1 ФАДН2 и 1 ГТФ получается 12 АТФ.
  

• 36 слайд

  Регуляция ЦТК
  Регуляторные (ключевые, лимитирующие) ферменты:
  Цитратсинтаза
  изоцитрат ДГ
  α-КГ ДГ
  СДГ
  Ингибирует – НАДН2 и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и дыхательной цепи
  Активируют – НАД+ и АДФ
  Первая - пусковая реакция ЦТК зависит от концентрации ЩУК, Ацетил-КоА
  
  

• 37 слайд

  Стимулирует ЦТК гормон инсулин, а ингибирует – глюкагон
  O2 активирует ЦТК, переводя восстановленные формы НAДH2, ФAДH2 в окисленные
  Аммиак связывает α–КГ и цикл блокируется
  

• 38 слайд

  Биологическое значение ЦТК
  1. образование водородных эквивалентов, которые в цепи ОФ обеспечивают синтез АТФ;
  2. выполняет ведущую роль в:
  глюконеогенезе;
  переаминировании и дезаминировании АК;
  синтезе жирный кислот и липогенезе;
  синтезе гема.
  3. интегрирует все виды обмена веществ
  

• 39 слайд

  IV этап. Окислительное фосфорилирование
  В 1966г. английский ученый Питер Денис Митчелл сформулировал хемиосмотическую гипотезу объясняющую принцип окислительного фосфорилирования.
  В 1979г. - Нобелевская премия
  История окислительного фосфорилирования
  

• 40 слайд

  цепь реакций, осуществляющихся в процессе дыхания, представляет собой последовательность сменяющих друг друга протонов и электронов.
  Белковые носители таким образом организованы во внутренней митохондриальной мембране, что переносят протоны через мембрану.
  Поскольку митохондриальная мембрана не допускает пассивного тока протонов, в процессе дыхания генерируется электрохимическая разность потенциалов – мембранный потенциал.
  Под ее действием протоны с внешней поверхности стремятся назад во внутриклеточное пространство. Именно этот поток протонов, который можно сравнить с электрическим током в батарее, и выполняет всю работу.
  Положения хемиосмотической теории
  

• 41 слайд

  Окислительное фосфорилирование
  Q
  ½О2 ½О2*
  Н2О
  НАДН2 НАД+
  nН+
  е-
  QН2
  nН2О
  nОН-
  nН+
  АТФ синтаза
  nН+
  МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО
  Фн + АДФ АТФ
  C
  Комплекс I
  Комплекс III
  Комплекс IV
  е-
  -0,32В
  -0,30В
  +0,04В
  +0,25В
  +0,55В
  +0,82В
  ФМН
  5 FeS
  
  B562 B566
  C1
  FeS
  B562 B566
  C1
  FeS
  a
  a3
  Cu2+
  a
  a3
  Cu2+
  МАТРИКС
  е-
  е-
  +0,23В
  Протекает на внутренней мембране митохондрий
  Окисления
  Электро
  Химический
  потенциал
  Фосфорилирования
  Комплекс II
  

• 42 слайд

  ФМН
  5FеS
  ФАД
  FeS
  В562
  В566
  С1
  FeS
  В562
  В566
  С1
  FeS
  
  а
  а3
  Сu2+
  а
  а3
  Сu2+
  АТФ
  синтетаза
  Q
  C
  НАД+
  НАДН2
  Изоцитрат
  α-КГ
  малат
  α-КГ
  сукцинилКоА
  ЩУК
  сукцинат
  фумарат
  ½О2
  ½О2*
  Н2О
  АТФ
  Фн + АДФ
  КомплексΙΙ
  КомплексΙ
  комплексΙΙΙ
  комплексΙV
  Межмембранное пространтво
  матрикс
  окисление
  ē
  Н+
  

• 43 слайд

  ФМН
  FeS
  НАДН2 НАД+
  S SH2
  Глюкоза Углеводы
  2Н+, 2е-
  е-
  2Н+
  FeS
  2Н+, 2е-
  е-
  2Н+
  Н2О ОН-
  О2 2О2-
  Н+
  Н+
  Фн + АДФ АТФ
  Н2О
  

• 44 слайд

  Н+
  Н+
  Н+
  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
  Межмембранное пространство
  Химический потенциал 60мВ
  матрикс
  +
  +
  +
  +
  Электрический потенциал 160мВ
  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ 220мВ
  

• 45 слайд

  Н+
  Н+
  Н+
  ē
  ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
  АДФ+ФН
  АТФ
  Н+
  Межмембранное пространство
  матрикс
  

• 46 слайд

  Модель F1 и F0 компонентов АТФ-синтазы – молекулярной машины
  a, b, альфа, бета и дельта субъединицы образуют статор машины
  с, гамма и ипсилон субъединицы образуют ротор
  

• 47 слайд

  Н+
  Н+
  Н+
  ē
  Сопряжение и разобщение
  Окислительного фосфорилирования
  АДФ+ФН
  АТФ
  сопряжение
  Н+
  разобщение
  ПРОТОНОФОР
  

• 48 слайд

  Разобщители дыхания и фосфорилирования
  R-СООН
  R-СОО-
  Н+
  Н+
  ПРОТОНОФОРЫ
  ИОНОФОРЫ
  Н+
  Н+
  

• 49 слайд

  2,4-Динитрофенол
  
  2,4-динитрофенол является классическим разобщителем окислительного фосфорилирования. При действии на митохондрии стимулирует их дыхание, но ингибирует сопряженное с ним фосфорилирование, т.е. синтез АТФ из АДФ и фосфата. 
  

• 50 слайд

  Дыхательный контроль
  - Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ.
  В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии.
  Общее содержание АТФ в организме 30—50 г Молекула АТФ «живёт» меньше минуты.
  В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.
  

• 51 слайд

  Спасибо за внимание!