Клеточное дыхание. Гликолиз. Цикл трикарбоновых кислот. Окислительное фосфорилирование. Энергетика процесса.

Ответы к госам (30)

Гликолиз, путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, - процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. Гликолиз состоит из цепи последовательных ферментативных реакций и сопровождающийся запасанием энергии в форме АТФ и НАДH. Реакция гликолиза в суммарном виде выглядит следующим образом:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАДH + 2Н+ + 2АТФ + 2Н2O

Кислород не требуется для протекания гликолиза. В аэробных условиях пировиноградная кислота далее декарбоксилируется, соединяется с коферментом А и вовлекается в цикл Кребса, а в анаэробных условиях или при гипоксии претерпевает дальнейшие превращения в ходе брожения.

Ферменты: 1) гексокиназа, 2) фосфогексозоизомераза, 3) фосфофруктокиназа-1, 4) альдолаза, 5) триозофосфатизомераза, 6) глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, 7) фосфоглицераткиназа, 8) фосфоглицератмутаза, 9) енолаза, 10) пируваткиназа.

Ци́ кл трикарбо́ новых кисло́ т (цикл Кре́ бса, цитра́ тный цикл, цикл лимо́ нной кислоты́) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные остатки (СН3СО–) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 NADH, 1 FADH2 и 1 ГТФ (или АТФ). Электроны, находящиеся на NADH и FADH2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ. Промежуточный этап между гликолизом и электронтранспортной цепью. Источник молекул-предшественников. У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, а у большинства бактерий реакции цикла протекают в цитозоле.

Ферменты: 1) цитратсинтазой, 2-3) аконитаза, 4-5) изоцитратдегидрогеназа, 7) сукцинил-СоА-синтаза, 8) сукцинатдегидрогеназа, 9) фумаразой, 10) L-малатдегидрогеназа.

Окисли́ тельное фосфорили́ рование (ОФ) — метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде АТФ.

Дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ) — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов.

ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙ Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. У эукариот локализована на внутренней мембране митохондрий, прокариот в ЦПМ. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.

Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования.

В целом весь процесс энергообразования в митохондриях может быть разбит на четыре основные стадии, первые две из которых протекают в матриксе, а две последние — на кристах митохондрий:

1. Превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрию пирувата и жирных кислот в ацетил-СоА;

2. Окисление ацетил-СоА в цикле Кребса, ведущее к образованию НАДН;

3. Перенос электронов с НАДН на кислород по дыхательной цепи;

4. Образование АТФ в результате деятельности мембранного АТФ-синтетазного комплекса.

Весь процесс переноса электрона по дыхательной цепи может быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельным трансмембранным липопротеидным комплексом (I, III и IV), встроенным в мембрану кристы митохондрии.

Дыхательная цепь начинается с комплекса I (НАДН-убихинон-оксидоредуктаза). Он катализирует окисление НАДН, отщепляя от него 2 электрона, которые после «путешествия» по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I попадают на молекулу-переносчик, в качестве которой выступает убихинон (Q), он способен ступенчато восстанавливаться, принимая на себя по два электрона и протона, и превращаясь в восстановленную форму — убихинол (QH2).

Энергетический потенциал (запас энергии) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле НАДН, а разница в подобной энергии временно запасается в виде особого вида — электрохимического протонного градиента.

Восстановленный убихинол мигрирует в плоскости мембраны, где достигает второго фермента дыхательной цепи — комплекса III (bc1). катализирует реакцию восстановления убихинола до убихинона с передачей электронов на атом железа второй молекулы переносчика (находящегося в межмембранном пространстве цитохрома c). Отщепляющиеся при этом от убихинола два протона водорода освобождаются в межмембранное пространство, продолжая формирование электрохимического градиента. Наконец, ещё два протона водорода переносятся в межмембранное пространство митохондрии за счёт энергии электронов, проходящих по простетических группам комплекса III.

Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c-оксидаза) При этом электроны, отбираемые у восстановленного цитохрома c, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды.

Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.

Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом с молекулярной массой 500 кДа. Этот комплекс, называемый АТФ-синтетазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.