5.2: Транспортування електронів та окислювальне фосфорилювання
- Page ID
- 2531
Джерело: BiochemFFA_5_2.pdf. Весь підручник доступний безкоштовно від авторів за адресою http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy
У еукаріотичних клітині переважна більшість синтезу АТФ відбувається в мітохондріях в процесі, який називається окислювальним фосфорилуванням. Навіть рослини, які генерують АТФ шляхом фотофосфорилювання в хлоропластах, містять мітохондрії для синтезу АТФ шляхом окислювального фосфорилювання.
Окислювальне фосфорилювання пов'язане з процесом, відомим як транспорт електронів (рис. 5.14). Електронна транспортна система, розташована у внутрішній мембрані мітохондрій, передає електрони, подаровані відновленими носіями електронів NADH і FADH2 (отримані в результаті гліколізу, циклу лимонної кислоти або окислення жирних кислот) через ряд акцепторів електронів, в кисень. Як ми побачимо, рух електронів через комплекси електронної транспортної системи по суті «заряджає» батарею, яка використовується для виготовлення АТФ при окислювальному фосфорилюванні. Таким чином окислення цукрів і жирних кислот поєднується з синтезом АТФ, ефективно витягуючи енергію з їжі.
Хіміосмотична модель
Доктор Пітер Мітчелл вніс радикальну пропозицію в 1961 році пояснити механізм, за допомогою якого мітохондрії роблять АТФ. Вона відома як хеміосмотична гіпотеза і протягом багатьох років була показана правильною. Мітчелл припустив, що синтез АТФ в мітохондріях залежить від електрохімічного градієнта, через внутрішню мембрану мітохондрій, що виникає в кінцевому підсумку з енергії відновлених носіїв електронів, NADH і FADH2.
Транспортування електронів
Далі в пропозиції зазначено, що градієнт створюється, коли NADH і FADH2 переносять свої електрони в електронно-транспортну систему (ETS), розташовану у внутрішній мембрані мітохондрій. Рух електронів через ряд носіїв електронів пов'язаний з накачуванням протонів з мітохондріальної матриці через внутрішню мембрану мітохондрій в простір між внутрішньою і зовнішньою мембранами. Результатом є створення градієнта протонів, потенційна енергія яких може бути використана для виготовлення АТФ. Електрони поєднуються з киснем і протонами в кінці ETS, щоб зробити воду.
АТФ-синтаза
При окислювальному фосфорилуванні синтез АТФ здійснюється в результаті повторного надходження протонів в мітохондріальний матрикс через трансмембранний комплекс АТФ-синтази, який поєднує АДФ з неорганічним фосфатом для отримання АТФ. Центральним елементом правильного функціонування мітохондрій через цей процес є наявність інтактної внутрішньої мембрани мітохондрій, непроникної для протонів.
Щільне зчеплення
Коли це так, кажуть, що щільна зв'язок існує між транспортом електронів та синтезом АТФ (називається окислювальним фосфорилуванням). Хімічні речовини, які проникають внутрішню мембрану мітохондрій до протонів, викликають розв'язку, тобто дозволяють протонам витікати назад в мітохондріальну матрицю, а не через АТФ-синтазу, так що рух електронів через ETS більше не пов'язаний з синтезом АТФ.
Електростанції
Мітохондрії називають силовими рослинами клітини, оскільки більша частина АТФ клітини виробляється там в процесі окислювального фосфорилювання. Механізм, за допомогою якого АТФ виробляється при окислювальному фосфорилуванні, є одним з найцікавіших у всій біології.
міркування
Процес має три основні міркування. Перший є електричним — електрони з відновлених носіїв електронів, таких як NADH і FADH2, потрапляють в електронну транспортну систему через Комплекс I і II відповідно. Як видно на малюнку 5.16 і малюнку 5.17, електрони рухаються від одного комплексу до іншого, не на відміну від способу їх переміщення по електричному ланцюгу. Такий рух відбувається в результаті сукупності відновлювально-окислювальних (окислювально-відновних) реакцій з електронами, що переходять від більш негативного відновного потенціалу до більш позитивного.
Можна думати про це, що відбувається як процес, коли носії «забирають» електрони від комплексів з меншим потенціалом відновлення, так само, як хуліган бере гроші на обід у меншої дитини. У цій схемі найбільшим «хуліганом» є кисень в IV комплексі. Електрони, отримані носієм, змушують його зменшуватися, тоді як носій, що віддає електрони, окислюється.
Вхід електронів в систему
Рух електронів по ланцюгу починається або з 1) перенесення від НАДГ до Комплексу I (рис. 5.16), або 2) руху електронів через ковалентно пов'язаний FADH2 (рис. 5.17) в мембрано-зв'язаної сукцинатдегідрогеназі (Комплекс II). (Альтернативною точкою входу для електронів з FADH2 є флавопротеїн, що переносить електрон через електрон-трансферно-флавопротеїндегідрогеназу, не показаний).
Даішник
Обидва комплексу I і II передають електрони до коензиму Q внутрішньої мембрани (CoQ - рис. 5.18 & 5.19). У кожному випадку коензим Q приймає електрони парами і передає їх Комплексу III (COQH2-цитохром c редуктази) поодиноко. Коензим Q при цьому виступає в ролі даішника, регулюючи потік електронів через ЕТС.
Док-станція
Комплекс III - док-станція або взаємообмін для вхідного носія електронів (коензим Q) і вихідного носія (цитохрому с). Рух електронів від коензиму Q до комплексу III, а потім до цитохрому С відбувається в результаті того, що називається Q-циклом (див. Нижче).
Комплекс III діє на переправу електронів від CoQ до цитохрому c Цитохром c приймає один електрон з комплексу III і передає його в Complex IV (цитохромоксидаза). Комплекс IV є кінцевим одержувачем білка електронів. Він передає їх молекулярному кисню (O2), щоб зробити дві молекули води. Створення двох молекул води вимагає чотирьох електронів, тому Комплекс IV повинен приймати, обробляти і передавати молекулярному кисню чотири окремі електрони, в результаті чого ступінь окислення кисню послідовно змінюється з додаванням кожного електрона.
Протонна накачування
У міру проходження електронів через комплекси I, III і IV відбувається виділення невеликої кількості енергії на кожному кроці, яка використовується для прокачування протонів з матриксу мітохондрій (всередині мітохондріона) і відкладення їх в міжмембранному просторі (між внутрішньою і зовнішньою мембранами мітохондріона). Ефект цього перерозподілу полягає в збільшенні електричного та хімічного потенціалу по всій мембрані.
Потенційна енергія
Як обговорювалося раніше, електрохімічні градієнти мають потенційну енергію. Студенти можуть думати про процес як «зарядку акумулятора». Так само, як заряджений акумулятор, потенціал, що виникає через диференціал протонів через мембрану, може бути використаний для виконання речей. У мітохондріоні те, що робить протонний градієнт, полегшує вироблення АТФ з АДФ та Пі. Цей процес відомий як окислювальне фосфорилювання, оскільки фосфорилювання АДФ до АТФ залежить від окислювальних реакцій, що відбуваються в мітохондріях.
Розібравшись в загальній картині синтезу АТФ, пов'язаного з рухом електронів через ЕТС, розглянемо докладніше окремі складові ЕТС.
Комплекс I
Комплекс I (також званий NADH: Убіхінонон-оксидоредуктаза або NADHдегідрогеназа (убихінон)) - це акцептор електронів від NADH в ланцюзі транспорту електронів і найбільший комплекс, знайдений в ньому.
Комплекс I містить 44 окремих поліпептидних ланцюга, численні залізо-сірчані центри, молекулу флавінового мононуклеотиду (FMN) і має L-форму з близько 60 трансмембранними доменами. У процесі транспортування електронів через нього через внутрішню мембрану перекачуються чотири протони і електрони рухаються від NADH до коензиму Q, перетворюючи його з убихинона (без електронів) в убихинол (посилення двох електронів). Проміжна форма, убісеміхінон (посилення одного електрона), знаходиться в Q-циклі.
Електрони проходять через комплекс через сім первинних центрів сірки заліза. Найвідоміший інгібітор комплексу, ротенон, працює шляхом зв'язування з сайтом зв'язування CoQ. Інші інгібітори включають ADP-рибозу (зв'язується з сайтом NADH) і піерицидин А (аналог ротенону). Процес перенесення електронів через комплекс I є оборотним, і коли це відбувається, супероксид (активна форма кисню) може легко генеруватися.
Комплекс II
Комплекс II (також званий сукцинатдегідрогеназою або сукцинат-коензимом Q редуктазою) - це мембранно пов'язаний фермент циклу лимонної кислоти, який відіграє певну роль в процесі транспортування електронів, переносячи електрони з його ковалентно пов'язаного FADH2 до коензиму Q. процес відбувається, як показано на малюнку 5.20 і малюнку 5.21, з перенесенням електронів з сукцинату в FAD з утворенням FADH2 і фумарату. FADH2, в свою чергу, дарує електрони релейній системі залізо-сірчаних груп і вони в кінцевому підсумку зменшують убихінон (CoQ) разом з двома протонами з матриці в убихінол. Роль групи гема в процесі не ясна. Інгібітори процесу включають карбоксин, малонат, малат і оксалоацетат. Вважається, що роль проміжних продуктів циклу лимонної кислоти як інгібіторів обумовлена гальмуванням зворотного процесу перенесення, який може виробляти супероксид.
Коензим Q
Коензим Q (рис. 5.23) - бензохінон 1,4, назва якого часто дається як коензим Q10, CoQ або Q10. The 10 в назві відноситься до кількості ізопреніл одиниць, які він містить, які закріплюють його до внутрішньої мембрани мітохондрій. CoQ - вітаміноподібна ліпідна речовина, що міститься в більшості еукаріотичних клітин як компонент електронної транспортної системи. Потреба в CoQ зростає зі збільшенням енергетичних потреб клітин, тому найвищі концентрації CoQ в організмі виявляються в тканині, які є найбільш метаболічно активними - серці, печінці, нирках.
Три форми
CoQ корисний через свою здатність переносити і дарувати електрони і особливо тому, що він може існувати у формах з двома зайвими електронами (повністю відновленими - убихінол), одним додатковим електроном (напіввідновлений - убісеміхінон) або без зайвих електронів (повністю окислених - убихінон). Ця здатність дозволяє CoQ забезпечувати перехід між першою частиною транспортної системи електронів, яка рухає електрони попарно, і останньою частиною системи, яка переміщує електрони по одному.
Комплекс III
Комплекс III (також відомий як коензим Q: цитохром c - оксидоредуктаза або комплекс цитохрому bc1 - рис. 5.24) є третім електроном приймає комплекс електронної транспортної системи. Це трансмембранний білок з декількома субодиницями, присутніми в мітохондріях всіх аеробних еукаріотичних організмів і клітинної мембрани майже всіх бактерій. Комплекс містить 11 субодиниць, ферредоксин 2-заліза, цитохроми b і c1 і відноситься до сімейства ферментів оксидоредуктази.
Він приймає електрони від коензиму Q в електронному транспорті і передає їх цитохрому с У цьому циклі, відомому як цикл Q, електрони надходять від CoQ парами, але передаються цитохрому c індивідуально. У загальному процесі з матриці витрачаються два протони і чотири протони закачуються в міжмембранний простір. Рух електронів через комплекс може гальмуватися антиміцином А, міксотіазолом і стигмателліном. Комплекс III також бере участь у створенні супероксиду (активної форми кисню), коли електрони з нього витікають з ланцюга перенесення. Явище більш виражено, коли присутній антиміцин А.
Q-цикл
У Q-циклі електрони передаються від убихінолу (QH2) до цитохрому c, використовуючи Complex III як посередницьку док-станцію для перенесення. Дві пари електронів надходять з QH2 і одна пара повертається в іншу CoQ, щоб повторно зробити QH2. Інша пара поодиноко передається двом різним молекулам цитохрому с.
Крок перший
Q-цикл відбувається в два етапи процесу. По-перше, убіхінол (CoQH2) та убіхінон (CoQ) док у комплексі III. Убіхінол переносить два електрони в Комплекс III. Один електрон йде на стикований цитохром с, зменшуючи його і він виходить (замінюється окисленим цитохромом с). Інший йде до стикованого уніхінону для створення напіввідновленого напівубіхінону (CoQ .-) і залишаючи після себе убихінон, який виходить. Це кінець кроку 1.
Крок другий
Розрив, залишений убіхіноном (Q), який відійшов, замінюється іншим убихінолом (QH2). Він теж дарує два електрони комплексу III, який розщеплює їх. Один йде на знову зістикований окислений цитохром с, який відновлюється і виходить. Інший переходить на убісеміхінон. Два протони з матриці з'єднуються з ним, щоб зробити ще один убихинол. Він і убіхінон, створений донорством електронів, виходять з комплексу III і процес починається знову. У загальному процесі з матриці витрачаються два протони і чотири протони закачуються в міжмембранний простір.
Цитохром с
Цитохром c (рис. 5.26) - це невеликий (12 000 дальтонів), високо збережений білок, від одноклітинних видів до тварин, який вільно пов'язаний з внутрішньою мембраною мітохондрій, де він функціонує в електронному транспорті. Він містить гемову групу, яка використовується для перенесення одного електрона від комплексу III до комплексу IV. Цитохром c також відіграє важливу роль при апоптозі у вищих організмів. Пошкодження мітохондріона, що призводить до вивільнення цитохрому с, може стимулювати складання апоптосоми та активацію каскаду каспази, що призводить до запрограмованої загибелі клітин.
Комплекс IV
Комплекс IV, також відомий як цитохром с оксидаза, являє собою 14 субодиничний інтегральний мембранний білок в кінці ланцюга транспорту електронів (рис. 5.27). Він відповідає за прийняття по одному електрону кожен з чотирьох білків цитохрому c і додавання їх до молекулярного кисню (O2) разом з чотирма протонами з мітохондріальної матриці, щоб зробити дві молекули води. Чотири протони з матриці також закачуються в міжмембранний простір в процесі. Комплекс має дві молекули гема, два цитохроми (a і a3) і два мідні центри (звані CuA і CuB). Цитохром c стикується біля CuA і дарує йому електрон. Знижений CuA передає електрон цитохрому а, який перевертає його в центр A3-Cub, де відновлюється кисень. Вважається, що чотири електрони проходять через комплекс швидко, що призводить до повного зменшення молекули кисню та кисню без утворення пероксидного проміжного або супероксиду, на відміну від попередніх прогнозів.
Респірасома
Протягом багатьох років існували припущення про те, що надкомплекс носіїв електронів у внутрішній мембрані мітохондріона може існувати в клітині з окремими носіями, які здійснюють фізичний контакт один з одним. Це призвело б до більш ефективних реакцій перенесення, мінімізувати вироблення активних форм кисню і бути подібним до метаболічних ферментів шляху метаболізму, для чого є деякі докази. Зараз, здається, накопичуються докази того, що комплекси I, III та IV утворюють надкомплекс, який отримав назву респіразом1.
Окислювальне фосфорилювання
Процес окислювального фосфорилювання використовує енергію протонного градієнта, встановленого транспортною системою електронів, як засіб фосфорилювання АДФ для отримання АТФ. Встановлення градієнта протона залежить від транспорту електронів. Якщо транспорт електронів зупиняється або якщо непроникність внутрішньої мембрани мітохондрій для протонів порушена, окислювальне фосфорилювання не відбудеться, оскільки без градієнта протона для приводу АТФ-синтази синтезу АТФ не буде.
АТФ-синтаза
Білковий комплекс, що збирає енергію з протонного градієнта і використовує його для отримання АТФ з АДФ, є ферментом, який має кілька назв - Complex V, PTAS (протонна транслокуюча АТФ-синтаза) і АТФ-синтаза (рис. 5.29). Центральне місце в його функції займає рух протонів через нього (з міжмембранного простору назад в матрицю). Протони будуть забезпечувати енергію для отримання АТФ лише в тому випадку, якщо їх концентрація більша в міжмембранному просторі, ніж в матриці, і якщо ADP доступний.
Можливо, в деяких випадках концентрація протонів буде більшою всередині матриці, ніж зовні її. Коли це відбувається, АТФ-синтаза може працювати назад, при цьому протони рухаються зсередини назовні, супроводжуючись перетворенням АТФ в ADP+ Pi. Це, як правило, не є бажаною обставиною, і існують деякі засоби контролю, щоб зменшити його виникнення.
У нормі концентрація АТФ буде вищою всередині мітохондріона, а концентрація АДФ буде вищою за межами мітохондріона. Однак, коли швидкість синтезу АТФ перевищує швидкість використання АТФ, то концентрації АТФ підвищуються поза мітохондріоном, а концентрації АДФ падають скрізь.
Це може статися, наприклад, в періоди спокою. Він має загальний ефект зменшення транспорту і, таким чином, зниження концентрації АДФ всередині матриці. Зниження концентрації АДФ в матриці зменшує окислювальне фосфорилювання і впливає на дихальний контроль (див. ТУТ).
Ще одним важливим фактором є те, що коли АТФ проводиться при окислювальному фосфорилюванні, він виділяється в мітохондріальний матрикс, але повинен транспортуватися в цитозол для задоволення енергетичних потреб решти клітини. Це досягається дією транслокази нуклеотиду аденіну, антипорту, який переміщує АТФ з матриці в обмін на ADP, що рухається в матрицю. Ця транспортна система керується концентраціями АДФ та АТФ і гарантує, що рівні АДФ підтримуються в мітохондріоні, що дозволяє продовжувати синтез АТФ.
Однією з останніх вимог для синтезу АТФ з АДФ є те, що фосфат також повинен бути імпортований в матрицю. Це досягається дією фосфатного транслоказу, який є симпортом, який переміщує фосфат в мітохондріальний матрикс разом з протоном.
Є докази того, що два транслокаси і АТФ-синтаза можуть існувати в комплексі, який отримав назву АТФ-синтасома.
Підсумовуючи, електронна транспортна система заряджає батарею для окислювального фосфорилювання шляхом викачування протонів з мітохондріону. Інтактна внутрішня мембрана мітохондріона утримує протони поза, за винятком тих, які знову потрапляють через АТФ-синтазу. АТФ-синтаза дозволяє протонам знову потрапляти в мітохондріальний матрикс і збирає їх енергію для отримання АТФ.
Механізм АТФ-синтази
У АТФ-синтазі спінінговими компонентами, або ротором, є мембранна частина (c кільце) основи F0 і γ-ε стебло, який з'єднаний з ним. Стебло γ-ε виступає в головку F1 грибної структури. Головка F1 містить каталітичну здатність виробляти АТФ. Головка F1 гексамерична за структурою з парними α і β білками, розташованими в тримері димерів. Синтез АТФ відбувається всередині β субодиниць.
Обертання γ одиниці
Поворот вала γ (викликаного потоком протонів) всередині α-β тримера головки F1 змушує кожен набір β білків трохи змінити структуру на три різні форми, які називаються Loose, Tight та Open (L, T, O - рис. 5.31). Кожна з цих форм має свою функцію.
Вільна форма пов'язує ADP+Pi. Тісна форма «стискає» їх разом, утворюючи АТФ. Відкрита форма вивільняє АТФ в мітохондріальний матрикс. Таким чином, в результаті протікання протонів через АТФ-синтазу, з міжмембранного простору в матрицю проводиться АТФ з АДФ і Пі.
Контроль дихання
Коли мітохондріон має неушкоджену внутрішню мембрану і протони можуть повернутися до матриці лише проходячи через АТФ-синтазу, процеси транспорту електронів та окислювального фосфорилювання, як кажуть, щільно пов'язані.
Взаємозалежність
Говорячи простою мовою, щільна зв'язок означає, що процеси електронного транспорту і окислювального фосфорилювання взаємозалежні. Без електронного транспорту, що відбувається в клітині, окислювальне фосфорилювання незабаром припиниться.
Зворотне також вірно, оскільки якщо окислювальне фосфорилювання припиниться, градієнт протона не буде розсіюватися, оскільки він будується транспортною системою електронів і буде рости все більше і більше. Чим більше градієнт, тим більше енергії, необхідної для викачування протонів з мітохондріона. Зрештою, якщо ніщо не полегшує градієнт, він стає занадто великим і енергії транспорту електронів недостатньо для виконання накачування. Коли накачування зупиняється, так само відбувається і транспорт електронів.
ADP залежність
Іншим важливим моментом є те, що АТФ-синтаза повністю залежить від постачання АДФ. При відсутності АДФ АТФ-синтаза перестає функціонувати і коли припиняється, так само відбувається рух протонів назад в мітохондріон. За допомогою цієї інформації можна зрозуміти зв'язок між споживанням енергії та метаболізмом. Корінь цього, як зазначалося, - контроль дихання.
У стані спокою
Щоб проілюструвати ці зв'язки, давайте спочатку розглянемо людину, спочатку знаходиться в стані спокою, який потім раптово підстрибує і тікає. Спочатку рівень АТФ у людини високий, а рівень АДФ низький (немає фізичних вправ для спалювання АТФ), тому відбувається мало окислювального фосфорилювання, і, таким чином, градієнт протона високий. Електронний транспорт рухається повільно, якщо взагалі, тому він не використовує кисень і дихання людини повільне, як наслідок.
Вправа
Коли починається біг, м'язове скорочення, яке використовує енергію, призводить до перетворення АТФ в АДФ. Збільшення АДФ в м'язових клітині сприяє окислювальному фосфорилювання, щоб спробувати заповнити спалюваний АТФ. АТФ-синтаза починає працювати і протони починають повертатися в мітохондріальний матрикс. Градієнт протона зменшується, тому транспорт електронів знову запускається.
Транспорту електронів потрібен акцептор електронів, тому споживання кисню збільшується, і коли споживання кисню збільшується, людина починає важче дихати, щоб забезпечити його. Коли людина перестає бігати, концентрації АТФ відновлюються АТФ-синтазою. Зрештою, коли рівень АТФ повністю відновлюється, рівень АДФ падає і АТФ-синтаза значно припиняється або сповільнюється. При незначному русі протонів або без нього транспорт електронів зупиняється, оскільки градієнт протона занадто великий. Коли транспорт електронів зупиняється, споживання кисню зменшується і швидкість дихання сповільнюється.
Електронний транспорт критичний
Дійсно цікаві зв'язки з метаболізмом відбуваються відносно того, чи відбувається електронний транспорт. З прикладів ми бачимо, що транспорт електронів буде відносно сповільнений, коли він не займається фізичними вправами, і більш швидким, коли відбуваються фізичні вправи (або інше використання АТФ). Пам'ятайте, що транспорт електронів - це спосіб, яким відновлені носії електронів, NADH і FADH2, передають свої електрони ETS, окислюючись до NAD+і FAD відповідно.
Окислені носії, такі як NAD+і FAD, необхідні катаболічними шляхами, такими як гліколіз, цикл лимонної кислоти та окислення жирних кислот. Анаболічні шляхи, такі як синтез жирних кислот/жирів та глюконеогенез, покладаються на знижені носії електронів, такі як FADH2, NADH та споріднений носій, NADPH.
Посилання на вправи
Високі рівні NADH та FADH2 перешкоджають роботі катаболічних шляхів, оскільки рівні NAD + та FAD будуть низькими, і вони необхідні для прийняття електронів, що виділяються під час катаболізму окислювальними процесами.
Завдяки дихальному контролю, коли людина займається фізичними вправами, рівень NAD + та FAD підвищується (оскільки працює транспорт електронів), тому можуть функціонувати катаболічні шляхи, які потребують NAD + та FAD. Електрони, втрачені в реакціях окислення катаболізму, захоплюються NAD+і FAD, щоб отримати NADH і FADH2, які потім постачають електрони в електронну транспортну систему та окислювальне фосфорилювання, щоб зробити більш необхідним АТФ.
Таким чином, під час фізичних вправ клітини переходять в режим швидкої циклічності між відновленими носіями електронів (NADH/FADH2) і окисленими носіями електронів (NAD+/FAD). Це дозволяє швидко метаболізуючим тканинам переносити електрони в NAD+/FAD, і це дозволяє відновленим носіям електронів швидко окислюватися, дозволяючи клітині виробляти АТФ.
Відпочинок
Коли фізичні вправи припиняються, рівні NADH та FADH2 підвищуються (оскільки транспорт електронів сповільнюється), що призводить до сповільнення/зупинки катаболічних шляхів. Якщо хтось не має належної кількості фізичних вправ, зменшені носії залишаються високими в концентрації протягом тривалого періоду часу. Це означає, що ми маємо надлишок енергії, а потім прихильні анаболічні шляхи, особливо синтез жирних кислот, тому ми отримуємо жирніше.
Зміна дихального контролю
Можна підозрювати, що зміна дихального контролю може мати дуже важкі наслідки, і це було б правильно. Зміни можуть мати форму або інгібування транспорту електронів/окислювального фосфорилювання, або роз'єднання двох. Ці зміни можуть бути досягнуті за допомогою сполук зі специфічним впливом на окремі компоненти системи.
Всі описані тут хімічні речовини є лабораторними інструментами і ніколи не повинні використовуватися людьми. Першою групою для обговорення є інгібітори. У щільно з'єднаних мітохондріях інгібування транспорту електронів або окислювального фосфорилювання має ефект інгібування і іншого.
Інгібітори електронного транспорту
Загальні інгібітори електронного транспорту включають ротенон і амітал, які зупиняють рух електронів повз Комплекс I, малонат, малат і оксалоацетат, які гальмують рух електронів через Комплекс II, антиміцин А, який зупиняє рух електронів повз Комплекс III, і ціанід, окис вуглецю, азид і сірководню, які гальмують рух електронів через Комплекс IV (рис. 5.33). Всі ці сполуки можуть зупинити електронний транспорт безпосередньо (немає руху електронів) і окисного фосфорилювання опосередковано (градієнт протона буде розсіюватися). Хоча деякі з цих сполук не є загальновідомими, майже кожен знає про небезпеку окису вуглецю та ціаніду, обидва з яких можуть бути смертельними.
Інгібітор АТФ-синтази
Також можна використовувати інгібітор АТФ-синтази для зупинки окисного фосфорилювання безпосередньо (відсутність виробництва АТФ) та транспорту електронів опосередковано (градієнт протона не знімається, тому стає все важче викачувати протони з матриці). Олігоміцин А (рис. 5.34) є інгібітором АТФ-синтази.
Ротенон
Ротенон, який є рослинним продуктом, використовується як природний інсектицид, дозволений для органічного землеробства. Коли мітохондрії обробляються цим, транспорт електронів зупиниться на Комплексі I і так теж відбудеться викачування протонів з матриці. Коли це відбувається, протонний градієнт швидко розсіюється, припиняючи окислювальне фосфорилювання як наслідок. Є й інші точки входу для електронів, ніж Комплекс I, тому цей тип гальмування не такий серйозний, як використання інгібіторів комплексу IV, оскільки альтернативний шлях для електронів не доступний. Саме з цієї причини ціанід, наприклад, настільки отруйний.
2,4-ДНП
Уявіть собі греблю, яка стримує воду з турбіною, яка виробляє електроенергію, через яку повинна протікати вода Коли вся вода протікає через турбіну, може вироблятися максимальна кількість електроенергії. Якщо проткнути отвір в греблі, то вода буде протікати через отвір і буде створюватися менше електроенергії. Таким чином, вироблення електроенергії буде відключено від потоку води. Якщо отвір досить велике, вода буде весь стікати через отвір і електрики не буде проводитися.
Обхід АТФ-синтази
Уявіть собі, що градієнт протона є еквівалентом води, внутрішня мембрана - еквівалент греблі, а синтаза АТФ - турбіна. Коли протони мають альтернативний шлях, АТФ буде виготовлено мало або зовсім не буде, оскільки протони будуть проходити через отвори мембрани замість того, щоб обертати турбіну АТФ-синтази.
Однак важливо визнати, що роз'єднання 2,4 DNP працює інакше, ніж інгібітори транспорту електронів або інгібітор АТФ-синтази. У цих ситуаціях припинення окислювального фосфорилювання призвело до опосередкованої зупинки електронного транспорту, оскільки ці два процеси були з'єднані, і інгібітори не розпаковували їх. Аналогічним чином зупинка транспорту електронів побічно припинила окислювальне фосфорилювання з тієї ж причини.
Такого немає у випадку з 2,4 ДНП. Зупинка окислювального фосфорилювання шляхом руйнування протонного градієнта дозволяє транспортувати електронів без зменшення (це насправді стимулює його), оскільки градієнт протона не може будувати незалежно від того, скільки пробігає транспорт електронів. Отже, електронний транспорт працює як божевільний, але окислювальне фосфорилювання зупиняється. Коли це трапляється, рівень NAD+та FAD підвищується, і катаболічні шляхи не стихають з рясними запасами цих електронних акцепторів. Причиною такого сценарію є небезпечний, тому що організм використовує всі свої поживні ресурси, але АТФ не робиться. Відсутність АТФ призводить до клітинної (і організмальної) смерті. Крім того, велика кількість виробленого тепла може підняти температуру тіла до небезпечних рівнів.
Термогенін
Одним з побічних продуктів від'єднання електронного транспорту є виробництво тепла. Чим швидше протікають метаболічні шляхи, тим більше тепла генерується як побічний продукт. Оскільки 2,4 ДНП викликає прискорення обміну речовин, може вироблятися значна кількість тепла. Контрольоване розчеплення фактично використовується організмом в спеціальних тканині, званих коричневим жиром. У цьому випадку коричневі жирові клітини використовують тепло, створене для того, щоб допомогти терморегулювати температуру новонароджених дітей.
Пермебілізація внутрішньої мембрани здійснюється в коричневому жирі шляхом синтезу білка, званого термогеніном (також відомого як білок, що розв'язує). Термогенін зв'язується з внутрішньою мембраною і дозволяє протонам проходити через неї, обходячи таким чином АТФ-синтазу. Як зазначалося для 2,4 DNP, це призводить до активації катаболічних шляхів і чим більше відбувається катаболізм, тим більше тепла генерується.
небезпечний наркотик
При від'єднанні, будь то через дію ендогенного від'єднувального білка або DNP, енергія, яка зазвичай була б захоплена в АТФ, втрачається як тепло. У разі від'єднання термогеніном це служить важливій меті збереження новонароджених дітей в теплі. Але у дорослих від'єднання просто витрачає енергію, яка була б зібрана як АТФ. Іншими словами, він імітує голодування, хоча їжі багато, тому що енергія розсіюється як тепло.
Цей факт, і пов'язане з цим збільшення швидкості метаболізму, призвело до того, що DNP використовується як препарат втрати ваги в 1930-х роках. Рекламований як легкий спосіб схуднути без необхідності їсти менше або більше фізичних вправ, він був схвалений як чарівні таблетки втрати ваги. Однак швидко стало очевидним, що це було дуже небезпечно. Багато людей померли від використання цього препарату, перш ніж закони були прийняті, щоб заборонити використання DNP в якості допомоги втрати ваги.
Альтернативна оксидаза
Інший підхід до генерації тепла, який не передбачає порушення дихального контролю, приймається деякими грибами, рослинами та найпростішими. Вони використовують альтернативний електронний транспорт. У цих організмах є фермент під назвою альтернативна оксидаза (рис. 5.36). Альтернативна оксидаза здатна приймати електрони з CoQ і передавати їх безпосередньо кисню.
Процес відбувається в з'єднаних мітохондріях. Його механізм дії полягає в зменшенні виходу АТФ, оскільки на відновлений носій електронів накачується менше протонів. Таким чином підвищуються концентрації НАД+, збільшується витрата кисню, знижується ефективність виробництва АТФ.
Організми, що використовують цей метод, повинні активувати катаболічні шляхи збільшенням концентрації NAD +. Це, в свою чергу, виробляє кількості NADH та FADH2, необхідні для отримання достатньої кількості АТФ. Побічним продуктом цього підвищеного катаболізму є більше тепла. Не дивно, що альтернативний оксидазний шлях може бути активований холодними температурами.
Енергоефективність
Клітини не є 100% ефективними у використанні енергії. Ніщо, що ми знаємо, не є. Отже, клітини не отримують стільки енергії з катаболічних процесів, скільки вкладають в анаболічні процеси. Хорошим прикладом є синтез і розпад глюкози, те, що клітини печінки часто роблять. Повне перетворення глюкози в піруват при гліколізі (катаболізмі) дає два пірувати плюс 2 НАДГ плюс 2 АТФ. І навпаки, повне перетворення двох піруватів в глюкозу за допомогою глюконеогенезу (анаболізму) вимагає 4 АТФ, 2 НАДГ та 2 ГТФ. Оскільки енергія ГТП по суті дорівнює енергії АТФ, глюконеогенез вимагає нетто на 4 АТФ більше, ніж дає гліколіз. Цю різницю необхідно компенсувати для того, щоб організм задовольняв свої енергетичні потреби. Саме з цієї причини ми і їмо. Крім того, неефективність нашого захоплення енергії в реакціях призводить до вироблення тепла і допомагає нам зігрітися, як зазначалося. Детальніше про гліколізі (ТУТ) і глюконеогенезі (ТУТ).
Метаболічний контроль енергії
Примітно також, що клітини зазвичай не мають як катаболічних, так і анаболічних процесів для одних і тих же молекул, що відбуваються одночасно всередині них (наприклад, розпад глюкози і синтез глюкози), тому що клітина не бачила б чистого виробництва нічого, крім тепла і втрати АТФ з кожним ходом. циклу. Такі цикли називаються марними циклами, а клітини мають елементи управління, щоб обмежити ступінь, в якій вони відбуваються. Оскільки марні цикли можуть, по суті, віддавати тепло, їх використовують як джерела тепла в деяких видах тканин. Коричнева жирова тканина ссавців використовує цю стратегію, як описано раніше. Дивіться також ТУТ, щоб дізнатися більше про виробництво тепла з марним циклом.
Реактивні форми кисню
Ендогенна продукція РОС спрямована на внутрішньоклітинну сигналізацію (H2O2 і оксид азоту, наприклад) і захист. Багато клітин, наприклад, мають NADPH оксидазу (рис. 5.38), вбудовану у зовнішню частину плазматичних мембран, в пероксисоми та ендоплазматичний ретикулум. Він виробляє супероксиди в реакції нижче, щоб знищити бактерії.
В імунній системі клітини, звані фагоцитами, поглинають чужорідні клітини, а потім використовують ROS для їх знищення. ROS може служити сигналами до дії. У зебрариб пошкоджені тканини мають підвищений рівень H2O2, і це вважається сигналом для того, щоб лейкоцити сходяться на місці. У риб, які не мають генів для вироблення перекису водню, лейкоцити не сходяться в місці пошкодження. Джерела перекису водню включають пероксисоми, які генерують його як побічний продукт окислення довголанцюгових жирних кислот.
старіння
Реактивні форми кисню лежать в основі вільних радикалів теорії старіння, яка стверджує, що організми старіють через накопичення пошкоджень від вільних радикалів в їх клітині. У дріжджах і дрозофілах є докази того, що зменшення окислювального пошкодження може збільшити тривалість життя. У мишей збільшення окислювального пошкодження зменшує тривалість життя, хоча при Caenorhabditis блокування виробництва супероксиддисмутази фактично збільшує тривалість життя, тому роль РОС у старінні не зовсім зрозуміла.
Однак зрозуміло, що накопичення мітохондріальних пошкоджень є проблематичним для окремих клітин. Білки Bcl-2 на поверхні мітохондрій відстежують пошкодження, і якщо вони виявлять його, активують білки під назвою Bax, щоб стимулювати вивільнення цитохрому с з мембрани мітохондрій, стимулюючи апоптоз (запрограмовану загибель клітин). Зрештою мертва клітина буде фагоцитозована.
Загальним ендогенним джерелом супероксиду є ланцюг транспорту електронів. Супероксид може бути отриманий, коли рух електронів в ланцюг і з нього не збігаються добре. За цих обставин напіввідновлений CoQ може пожертвувати електрон O2 для утворення супероксиду (O2-). Супероксид може реагувати з багатьма молекулами, включаючи ДНК, де він може спричинити пошкодження, що призводить до мутації. Якщо він реагує з ферментом аконітази, може виділятися залізо заліза (Fe++), яке, в свою чергу, може реагувати в реакції Фентона з утворенням іншої активної форми кисню - гідроксильного радикала (рис. 5.39).
Протидією дії ROS є ферменти, такі як каталаза, супероксиддисмутаза та антиоксиданти, такі як глутатіон та вітаміни С і Е.
Глутатіон захищає від окислювального пошкодження, будучи субстратом для ферменту глутатіонпероксидази. Глутатіонпероксидаза каталізує перетворення перекису водню у воду (наступна сторінка).
Каталаза
2 Н2О2 <=> 2 Н2О+О2
Фермент, який використовує чотири групи гема в своєму каталізі, працює надзвичайно швидко, перетворюючи до 40 000 000 молекул пероксиду водню в воду і кисень на фермент в секунду. Він рясно міститься в пероксисомах.
Окрім здатності каталази розщеплювати перекис водню, фермент також може використовувати перекис водню для окислення найрізноманітніших органічних сполук, включаючи феноли, мурашину кислоту, формальдегід, ацетальдегід та спирти, але з набагато меншою ефективністю.
Здоров'я
Важливість каталази для здоров'я невизначена. Миші з дефіцитом ферменту здаються здоровими, а люди з низьким рівнем ферменту виявляють мало проблем. З іншого боку, миші, сконструйовані для отримання більш високого рівня каталази, принаймні в одному дослідженні, жили довше. Здатність організмів жити з нижчим рівнем або відсутністю каталази може виникати з іншої групи ферментів - пероксиредоксинів, які також діють на перекис водню і можуть заповнювати менші кількості каталази. І останнє, є докази того, що знижений рівень каталази при старінні може бути відповідальним за посивіння волосся. Більш високий рівень H2O2 зі зниженою каталазою призводить до знебарвлення волосяних фолікулів.
Супероксиддисмутаза
Ще одним важливим ферментом для захисту від активних форм кисню є супероксиддисмутаза (СОД), яка зустрічається, як і каталаза, практично у всіх організмах, що живуть в кисневому середовищі. Супероксиддисмутаза, також як і каталаза, має дуже високе значення Kcat і, насправді, має найвищий Kcat/Km відомий для будь-якого відомого ферменту. Він каталізує реакції у верхній частині наступного стовпця (супероксиди показані червоним кольором):
Таким чином, фермент працює за механізмом пінг-понгу (подвійне переміщення) (див. ТУТ), перетворюючись між двома різними формами.
Пероксид водню, що утворюється в другій реакції, легко обробляється каталазою і також менш шкідливий, ніж супероксид, який може вступати в реакцію з оксидом азоту (NO) з утворенням дуже токсичних пероксинітритних іонів (рис. 5.43). Пероксинітрит має негативний вплив на клітини, як показано на малюнку 5.45.
Окрім міді, іон Zn++ також пов'язаний ферментом і, ймовірно, відіграє певну роль у каталізі. Форми супероксиддисмутази, які використовують марганець, нікель або залізо, також відомі і в основному зустрічаються у прокаріотів і протистів, хоча марганцевий СОД міститься в більшості мітохондрій. Ферменти міді/цинку поширені у еукаріотів.
Три форми супероксиддисмутази виявлені у людини і локалізуються в цитоплазмі (СОД1 - рис. 5.45), мітохондріях (СОД2 - рис. 5.46) і позаклітинних ділянках (СОД3 - рис. 5.47). Миші, яким не вистачає будь-якої з трьох форм ферменту, більш чутливі до препаратів, таких як паракват. Дефіцит SOD1 у мишей призводить до гепатоцелюлярної карциноми та ранньої втрати м'язової тканини, пов'язаної зі старінням. Дрозофіли, які не мають SOD2, гинуть до народження, а ті, хто не має SOD1, передчасно старіють.
У людини мутації супероксиддисмутази пов'язані з генетично пов'язаною формою аміотрофічного бічного склерозу (БАС), а надмірна експресія гена пов'язана з нервовими розладами, пов'язаними з синдромом Дауна.
Змішані функції оксидази
Інші ферменти, що каталізують реакції за участю кисню, включають змішані функції оксидази. Ці ферменти використовують молекулярний кисень для двох різних цілей в одній реакції. Змішана функція частина назви використовується для позначення реакцій, в яких дві різні субстрати окислюються одночасно. Монооксигенази є прикладами оксидаз змішаних функцій. Приклад змішаної функції оксидазной реакції наведено нижче.
АГ + БХ2+ О2 <=> АОН + Б + Н2О
При цьому молекула кисню має один атом служити акцептором електронів, а інший атом додається до АГ, створюючи спирт.
Ферменти цитохрому Р450
Ферменти цитохрому P450 (звані CYP) - це сімейство гемосодержащих ферментів змішаної функції оксидази, знайдених у всіх сферах життя. Відомо більше 21 000 ферментів CYP. Найбільш характерна реакція, каталізована цими ферментами, слід:
Монооксигеназні реакції, такі як це, відносно рідкісні в клітині через їх використання молекулярного кисню. CYP вимагають донора електронів для реакцій, як показано тут, і часто потребують білка, щоб допомогти в передачі електронів для зменшення гемового заліза. Існує шість різних класів ферментів Р450 на основі того, як вони отримують електрони.
1. Бактеріальний Р450 - електрони з ферредоксин-редуктази і ферредоксину
2. Мітохондріальний Р450 - електрони від адренодоксин-редуктази і адренодоксину
3. Cyb5r/CyB5 - електрони надходять з цитохрому b5
4. FMn/FD - використовуйте плавлену ФМН-редуктазу
5. Мікросомальні P450 - електрони НАДФН надходять через цитохром Р450 редуктазу або з цитохрому b5 і цитохрому b5 редуктази
6. P450 тільки системи - не вимагають зовнішнього зниження потужності
Гени CYP рясні у людини і каталізують тисячі реакцій як на клітинні, так і на позаклітинні хімічні речовини. Існує 57 генів людини, класифікованих на 18 різних сімей ферментів. Деякі CYP специфічні для однієї або декількох субстратів, але інші можуть діяти на багатьох різних підкладках.
Ферменти CYP знаходяться в більшості тканин організму і виконують важливі функції в синтезі стероїдів (холестерин, естроген, тестостерон, вітамін D, наприклад), розщеплення ендогенних сполук (білірубін), і в детоксикації токсичних сполук, включаючи наркотики. Оскільки вони діють на багато ліків, зміни активності CYP можуть призвести до несподіваних результатів і викликати проблеми з лікарськими взаємодіями.
Біоактивні сполуки, наприклад, у грейпфрутовому соку, можуть пригнічувати активність CYP3A4, що призводить до збільшення циркулюючих концентрацій препаратів, які зазвичай діяли б на CYP3A4. Це є причиною того, що пацієнтам, які призначають препарати, які, як відомо, є субстратами CYP3A4, рекомендується уникати вживання грейпфрутового соку під час лікування. Звіробій, трав'яне лікування, з іншого боку, індукує активність CYP3A4, але пригнічує CYP1A1, CYP1B1 та CYP2D6. Тютюновий дим індукує CYP1A2, а крес-салат пригнічує CYP2E1.
Цитохроми
Цитохроми - це гемосодержащие білки, які відіграють головну роль у процесі транспортування електронів в мітохондріоні та у фотосинтезі в хлоропласті. Вони існують або у вигляді мономерів (цитохром с), або як субодиниці в межах великих окислювально-відновних комплексів (Комплекс III і Комплекс IV електронного транспорту. Центральну роль в процесі грає атом заліза в центрі групи гема, переливаючись між залізом (Fe++) і залізом (Fe+++) станами в результаті руху по ньому електронів.
Існує кілька різних цитохромів. Цитохром с (рис. 5.47) - розчинний білок, нещільно пов'язаний з мітохондріоном. Цитохроми а і А3 знаходяться в комплексі IV. Комплекс III має цитохроми b і c1, а пластохінол-пластоціанредуктаза хлоропласту містить цитохроми b6 і f. ще одним важливим класом ферментів, що містять цитохроми, є група цитохрому Р450 оксидази (див. Вище). Свою назву вони отримують від того, що поглинають світло при 450 нм при зниженні їх гемового заліза.
Залізо-сірчані білки
Залізо-сірчані білки містять залізо-сірчані кластери в різних форматах, включаючи сульфід-зв'язані ді-, три- і тетразаліонові центри, що існують в різних станах окислення (рис. 5.48 & 5.49). Кластери відіграють різноманітні ролі, але найвідоміші з них знаходяться в транспорті електронів, де вони функціонують в окислювально-відновних реакціях, що беруть участь у русі електронів.
Комплекси I і Комплекс II містять кілька центрів Fe-S. Білки залізо-сірки, однак, мають багато інших ролей у клітині. Аконітаза використовує залізо-сірчаний центр у своїй каталітичній дії, а здатність ферменту зв'язувати залізо дозволяє йому функціонувати як барометр концентрації заліза в клітині. Залізо-сірчані центри допомагають генерувати радикали в ферментах за допомогою S-аденозилметіоніну (SAM) і можуть служити джерелом сірки в синтезі біотину і ліпоєвої кислоти. Деякі залізо-сірчані білки навіть допомагають регулювати експресію генів.
Ферредоксин
Ферредоксини - це залізо-сірчані білки, що виконують перенесення електронів у найрізноманітніших біологічних системах і процесах. Вони включають ролі у фотосинтезі в хлоропластах. Ферредоксини класифікуються структурно за залізо-сірчаними кластерними центрами, які вони містять. Кластери Fe2S2 (рис. 5.50) знаходяться в мембранах хлоропласту і можуть передавати електрони глутаматсинтазі, нітратредуктазі та сульфіт-редуктазі і служать електронними носіями між редуктазними флавопротеїнами та бактеріальними диоксигеназними системами. Адренодоксин - це розчинний людський ферредоксин Fe2S2 (також званий ферредоксином 1), який служить носієм електронів (до цитохрому P450) в мітохондріальних монооксигеназних системах. Ферредоксини Fe4S4 поділяються як ферредоксини низького та високого потенціалу, причому останні функціонують в анаеробних ланцюгах транспортування електронів.
Феритин
Ферритин - це внутрішньоклітинний білок для зберігання заліза, який міститься майже у всіх живих організмах, від бактерій до вищих рослин і тварин. Це кулястий білковий комплекс з 24 субодиницями і є первинним внутрішньоклітинним білком для зберігання заліза у еукаріотів і прокаріотів. Функції феритину утримують залізо в розчинній та нетоксичній формі. Його здатність безпечно зберігати залізо та вивільняти його контрольованим способом дозволяє йому діяти як основний буфер заліза та солюбілізатор у клітині - зберігаючи концентрацію вільного заліза від підвищення або падіння занадто низького рівня. Феритин знаходиться в цитоплазмі в більшості тканин, але він також міститься в сироватці крові, виступаючи в ролі носія заліза. Ферритин, який не містить жодного заліза, відомий як апоферитин.
моноаміноксидази
Моноаміноксидази - це ферменти, які каталізують окислювальну дезамінацію моноамінів, таких як серотонін, адреналін та дофамін. Видалення аміну киснем призводить до утворення альдегіду і аміаку. Ферменти знаходяться всередині і зовні центральної нервової системи.
Існує два типи ферментів моноаміноксидази - МАО-А і МАО-В. MAO-A особливо важливий для окислення моноамінів, що вживаються в раціоні. І MAO-A, і MAO-B відіграють важливу роль в інактивації моноамінергічних нейромедіаторів. Обидва ферменти діють на дофамін, тирамін (рис. 5.50) і триптамін. MAO-A є основним ферментом для метаболізму мелатоніну, серотоніну, норадреналіну та адреналіну, тоді як MAO-B є основним ферментом для фенетиламіну (рис. 5.51) та бензиламіну. Повідомлялося, що рівень MAO-B значно знижується при вживанні тютюну.
Дії моноаміноксидаз таким чином впливають на рівні нейромедіаторів і, отже, вважається, що вони відіграють роль у неврологічних та/або психічних розладах. Аберрантні рівні МАО були пов'язані з численними психологічними проблемами, включаючи депресію, синдром дефіциту уваги (ADD), мігрень, шизофренію та зловживання психоактивними речовинами. Ліки, орієнтовані на МАО, іноді використовуються для лікування депресії в крайньому випадку - через потенційні побічні ефекти. Надмірний рівень катехоламінів, таких як адреналін, норадреналін та дофамін, може призвести до небезпечних подій гіпертонії.
Теорія пошкодження ДНК старіння
Теорія пошкодження ДНК старіння заснована на спостереженні, що з часом клітини піддаються великим окислювальним явищам. Як уже зазначалося, вони дають можливості для утворення РОС, здатних пошкодити клітинні молекули, і з цього випливає, що накопичення такого пошкодження, особливо для ДНК, буде згубним для клітини. Таким чином, нарощування пошкодження ДНК може бути відповідальним за зміни експресії генів, які ми пов'язуємо зі старінням.
Численні події пошкодження
Кількість пошкоджень ДНК, яка може статися, значна. Наприклад, у мишей підраховано, що кожна клітина відчуває від 40 000 до 150 000 пошкоджень на день. Пошкодження, яке трапляється як з ядерною, так і з мітохондріальною ДНК, може призвести до апоптозу та/або клітинного старіння. Системи репарації ДНК, звичайно, захищають від пошкодження ДНК, але з часом можуть накопичуватися непоправні пошкодження.
Окислювальні пошкодження
Пошкодження ДНК може відбуватися декількома шляхами. Окислення може пошкодити нуклеотиди та змінити їх тенденції до сполучення основ. Окислення гуаніна активними формами кисню, наприклад, може виробляти 8-оксо-гуанін (рис. 5.52 і 5.53). Ця окислена нуклеобаза зазвичай виробляється ураження в ДНК, що виникає внаслідок дії активних форм кисню, таких як супероксиди. 8-оксогуанін здатний формувати стабільну взаємодію пари основи в дуплексі ДНК з аденіном, потенційно породжуючи мутацію, коли реплікація ДНК протікає. 8-оксогуанін може бути відремонтований, якщо вчасно розпізнаний ДНК-глікозилазою, яка діє, щоб відсікати пошкоджену основу, і її потім можна замінити відповідною. Поліциклічні ароматичні вуглеводні з сигаретного диму, вихлопних газів або перевареного м'яса можуть ковалентно зв'язуватися з ДНК і, якщо їх не ремонтувати, призвести до мутації. Хімічне пошкодження ДНК може призвести до порушених або зшитих ДНК.
Захворювання репарації ДНК
Важливість відновлення ДНК в процесі старіння з'ясовується захворюваннями, що впливають на відновлення ДНК, які призводять до передчасного старіння. До них відноситься синдром Вернера, для якого тривалість життя становить 47 років. Виникає в результаті втрати двох ферментів при відновленні висічення основи. Люди, які страждають синдромом Коккейна, мають тривалість життя 13 років через мутації, які змінюють відновлення висічення нуклеотидів, пов'язаних з транскрипцією, що є важливою системою фіксації окислювального пошкодження.
Далі тривалість життя 13 видів організмів ссавців корелює з рівнем експресії протеїну, що індукує ремонт ДНК PARP. Цікаво, що люди, які жили старше 100 років, мали більш високий рівень PARP, ніж молоді люди в популяції.
Антиоксиданти
Зростає інтерес до теми антиоксидантів через проблеми зі здоров'ям, викликані нашими знаннями про проблеми, створені в результаті спонтанного окислення біомолекул реактивними формами кисню (ROS), такими як супероксид. Антиоксиданти мають хімічну властивість захищати від окисного пошкодження, легко окислюючись, переважно іншим біомолекулам.
Біологічно клітини мають кілька ліній антиоксидантного захисту. Вони включають молекули, такі як вітаміни С, А та Е, глутатіон та ферменти, що руйнують ROS, такі як супероксиддисмутаза, каталаза та пероксидази.
Вплив на здоров'я
Окислення ROS є мутагенним і пов'язане з атеросклерозом. Тим не менш, рандомізовані дослідження пероральних добавок різних вітамінних комбінацій показали відсутність захисного ефекту проти раку, а добавки вітаміну Е та селену не виявили зниження ризику серцево-судинних захворювань. Крім того, зниження рівня смертності в результаті добавок з цими матеріалами не виявлено, тому захисні ефекти антиоксидантів на РОС в здоров'ї людини залишаються погано вивченими.
глутатіон
Тіольна група цистеїну є відновником, який зменшує дисульфідні зв'язки з сульфгідрилами в цитоплазматичних білках. Це, в свою чергу, міст, коли два глутатіону окислюються і утворюють дисульфідний зв'язок один з одним (рис. 5.56). Два окислювальних стану глутатіону скорочені наступним чином: GSH (відновлений) і GSSG (окислений).
Дисульфідно-з'єднані глутатіони можуть бути розділені шляхом відновлення їх зв'язків з глутатіонредуктазою, використовуючи електрони NADPH для відновлення.
Нерибосомальний синтез
Глутатіон не виробляється рибосомами. Швидше, два ферменти каталізують його синтез. Фермент γ-глутамілцистеїн-синтетаза каталізує приєднання глутамату до цистеїну, а потім глутатіонсинтетаза каталізує утворення пептидного зв'язку між цистеїном і гліцином. Кожен крок вимагає енергії від АТФ.
Необхідні для життя
Глутатіон важливий для життя. Миші, які не мають першого ферменту, який бере участь в його синтезі в печінці, гинуть в перший місяць після народження. У здорових клітині 90% глутатіону знаходиться в стані GSH. Більш високі рівні GSSG відповідають клітинам, які піддаються окислювальному стресу.
Крім зменшення дисульфідних зв'язків у клітині, глутатіон також важливий для наступного:
• Нейтралізація вільних радикалів і активних форм кисню.
• Зміст екзогенних антиоксидантів, таких як вітаміни С і Е в їх відновлених формах.
Регуляція циклу оксиду азоту
Ресвератрол
Деякі дані свідчать про те, що ресвератрол може поліпшити роботу мітохондрій. Він також діє як антиоксидант і спричиняє збільшення концентрації іншого антиоксиданту, глутатіону. З'єднання, як видається, індукує експресію супероксиддисмутази марганцю (захищає від активних форм кисню) і інгібує кілька фосфодіестераз. Це спричиняє збільшення цАМФ, що призводить до збільшення окислення жирних кислот, утворення мітохондрій, глюконеогенезу та розщеплення глікогену. Стверджується, що це причина французького парадоксу, в якому вживання червоного вина повинно забезпечити захист серцево-судинної системи. Однак даних досліджень не вистачає на підтвердження претензії. Відомо, що ресвератрол активує білки сиртуїну, які відіграють роль у інактивації генів.
Резюме
Підсумовуючи, енергія необхідна клітинам для виконання функцій, які вони повинні виконувати, щоб залишитися в живих. На самому базовому рівні це означає боротьбу з постійною битвою з ентропією, але це не єдина потреба в енергії, яку мають клітини.
Посилання
1. Вінге, Д.Р., Міль Клітинний біол. 2012 Липень; 32 (14): 2647—2652. doi: 10.1128/MCB.00573-12
Енергія: Електронний транспорт та окислювальне фосфорилювання
429
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
430
Малюнок 5.14 - Огляд електронного транспорту (знизу зліва і вгорі праворуч) і окислювального фосфорилювання (зверху зліва - жовта коробка) в мітохондріоні
431
Малюнок 5.15 - Втрата електронів по NADH з утворенням NAD +. Відповідні реакції відбуваються у верхньому кільці молекули.
432
Малюнок 5.16 - Потік електронів з НАДГ в електронно-транспортну систему. Вхід здійснюється через комплекс I
Зображення Алеї Кім
Малюнок 5.17 - Потік електронів з FADH2 в ланцюг транспорту електронів. Вхід здійснюється через комплекс II.
Зображення Алеї Кім
Інтерактивне навчання
Модуль
ТУТ
433
Малюнок 5.18 - Комплекс I, вбудований у внутрішню мембрану мітохондрій. Матрикс мітохондрій у верхній частині
Вікіпедія
434
Малюнок 5.19 - Комплекс II, вбудований у внутрішню мембрану мітохондрій. Матриця вгору.
Вікіпедія
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
435
Малюнок 5.20 - Рух електронів через комплекс I від NADH до коензиму Q. мітохондріальна матриця знаходиться внизу
Зображення Алеї Кім
Малюнок 5.21 - Рух електронів з сукцинату через комплекс II (A->B->C->D->Q). Мітохондріальний матрикс на дні.
Зображення Алеї Кім
436
Малюнок 5.22 - Комплекс II у внутрішній мембрані мітохондрій, що показує потік електронів. Матриця вгору.
Вікіпедія
Малюнок 5.23 - Коензим Q
437
Фільм 5.2 - Цикл добротності
Рисунок Вікіпедії 5.24 - Зображення Q-циклу Алеї Кім
Малюнок 5.24 - Комплекс III
Вікіпедія
438
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
Малюнок 5.25 - Q-цикл. Матриця вниз.
Зображення Алеї Кім
439
Малюнок 5.26 - Рух електронів і протонів через комплекс IV. Матриця вниз
Зображення Алеї Кім
Малюнок 5.25 - Цитохром с з пов'язаною групою гемів
Вікіпедія
440
Малюнок 5.27 - Мітохондріальна анатомія. Електронно-транспортні комплекси та АТФ-синтаза вбудовані у внутрішню мембрану мітохондрій.
Зображення Алеї Кім
441
Малюнок 5.28 - АТФ-синтаза. Протони проходять з міжмембранного простору (зверху) через комплекс і виходять в матрицю (знизу).
Зображення Алеї Кім
Інтерактивне навчання
Модуль
ТУТ
442
Фільм 5.3 - АТФ-синтаза - АДП+ Пі (рожевий) і АТФ (червоний). Вид закінчується з цитоплазматичної сторони перегляду β субодиниць
Movie 5.3 - АТФ-синтаза - АДП+ Pi (рожевий) і АТФ (червоний). Вид є кінцевим з цитоплазматичної сторони, переглядаючи β субодиниці.
443
Малюнок 5.29 - Важливі особливості будови АТФ-синтази
Зображення Алеї Кім
444
Малюнок 5.30 - пухкі (L), щільні (T) і відкриті (O) структури головки F1 АТФ-синтази. Зміна структури відбувається обертанням γ-білка (фіолетового кольору) в центрі в результаті руху протонів. Окремі α і β одиниці не обертаються
Зображення Алеї Кім
445
Малюнок 5.31 - Огляд дихання в еукаріотичних клітині
Вікіпедія
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
446
Відпочинок
АТФ високий/ADP низький
Низьке окислювальне фосфорилювання
Низький транспорт електронів
Низьке використання кисню
NADH високий/НАД+низький
Лимонна кислота цикл повільний
Вправа
АТФ низький/ADP високий
Висока окислювальна фосфорилювання
Високий транспорт електронів
Високе використання кисню
NADH низький/НАД+високий
Лимонна кислота цикл Fast
Інтерактивне навчання
Модуль
ТУТ
447
Малюнок 5.32 - Три інгібітори електронного транспорту
Зображення Алеї Кім
448
Малюнок 5.33 - Олігоміцин А - Інгібітор АТФ-синтази
Малюнок 5.34 - 2,4 ДНП - роз'єднувач дихального контролю
449
У осередках з щільною муфтою
Використання O2 залежить від метаболізму, рівень
NAD+змінюється залежно від вправ, градієнт
протона високий, без фізичних вправ.
Катаболізм залежить від енергетичних потреб,
ETS працює, коли OXPHOS працює, і навпаки.
У осередках, які розв'язані
O2 використовує високі рівні
NAD +, високі,
мало або не протонний градієнт.
Катаболізм високий
OxPhOS не працює, але ETS працює швидко
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
450
451
Малюнок 5.35 - Альтернативна оксидаза (AOX) грибів, рослин і найпростіших обходить частину електронного транспорту, приймаючи електрони з CoQ і передаючи їх кисню.
452
Малюнок 5.36 - Будова вільного радикала кисню
Вікіпедія
НАДФ + 2O2
НАДП+ 2О2− + Ч +
Малюнок 5.37 - Три джерела активних форм кисню (РОС) в клітині
Вікіпедія
453
454
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
Малюнок 5.38 Гідроксильний радикал
Вікіпедія
455
Зниження глутатіону (GSH) + H2O2
Окислений глутатіон (GSSG) + H2O
Малюнок 5.40 - Детоксикація активних форм кисню
Малюнок 5.39 - Каталаза
456
1. O2- + ензим-Cu++
О2+ фермент-Су +
2. О2- + ензим-Cu+ + 2H +
H2O2 + фермент-Су ++
Малюнок 5.41 - SOD2 людини
Малюнок 5.42 3 - Пероксинітрит-іон
Малюнок 5.44 - СОД1 людини
Вікіпедія
Малюнок 5.45 - SOD3 людини
457
Малюнок 5.43 - Вплив пероксинітриту на клітини призводять до некрозу або апоптозу
Вікіпедія
458
RH + O2+НАДФ + H+
РО + H2O + НАДП+
459
Малюнок 5.46 - Цитохром с з його гемовой групою
460
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
Малюнок 5.47 - Кластер Fe2S2
Малюнок 5.48 - Окислювально-відновні реакції для кластерів Fe4S4
461
Малюнок 5.49 - Тирамін
Малюнок 5.50 - Фенетиламін
462
Малюнок 5.51 - Гуанін і 8-оксо-гуанін
Малюнок 5.52 - пара основи аденін-8-оксо-гуанін. dR = дезоксирибоза
463
Малюнок 5.53 - Хороші джерела антиоксидантів
464
Малюнок 5.55 - Окислені глутатіони (GSSG), з'єднані дисульфідною зв'язком
Вікіпедія
Малюнок 5.54 - Структура відновленого глутатіону (ГСГ)
465
Малюнок 5.56 - Ресвератрол
Лекції YouTube
by Кевін
ТУТ & ТУТ
466
Графічні зображення в цій книзі були продуктами роботи кількох талановитих студентів. Посилання на їх веб-сторінки наведені нижче
Натисніть ТУТ для
Марта Бейкер
Веб-сторінка
Натисніть ТУТ для
Пера Якобсона
Веб-сторінка
Натисніть ТУТ для
Алея Кім
Веб-сторінка
Натисніть ТУТ для
Пенелопа Ірвінг
Веб-сторінка
Набір проблем, пов'язаних з цим розділом ТУТ
Короткий зміст цього розділу ТУТ
Щоб отримати сертифікат на освоєння цього розділу книги, натисніть ТУТ
Безкоштовні курси iTunes U Кевіна Ахерна - Базові/Медична школа/Розширений
Біохімія безкоштовно і легко (наша інша книга) ТУТ/Facebook Сторінка
Посібник Кевіна та Індіри щодо вступу в медичну школу - курс iTunes U /Книга
Щоб побачити курси еккампусу ОГУ Кевіна Ахерна - BB 350/BB 450 /BB 451
Зареєструватися на курси еккампусу ОГУ Кевіна Ахерна - BB 350/BB 450 /BB 451
Біохімія безкоштовно для всіх Facebook Сторінка (будь ласка, як ми)
Веб-сторінка Кевіна Ахерна/Сторінка Facebook /Веб-сторінка Тараліна Тан
Безкоштовні завантаження Кевіна Ahern ТУТ
Програма біохімії/біофізики ОГУ ТУТ
Науковий коледж ОГУ ТУТ
Університет штату Орегон ТУТ
Електронна пошта Кевін Ахерн/Індіра Раджагопал/Таралін Тан
Я маленький мітохондріон
Хто дає вам енергію
Я використовую свій протонний градієнт
Щоб зробити АТФ
Він маленький мітохондріон
Хто дає нам енергію
Він використовує протонні градієнти
Щоб зробити деякі АТФ
Електрони протікають через комплекс II
До даішника Co-Q
Всякий раз, коли вони прибувають туди в
FADH-два
Електрони протікають через комплекс II
До даішника Co-Q
Кожного разу, коли вони прибувають туди в
FADH-два
Щільно пов'язаний мій стан
Якщо я не отримаю отвір
Створено в моїй мембрані
деякими ді-ні-тро-фен-нол
Так щільно з'єднаний його стан
Якщо він не отримує отвір
Створено в його мембрані
деякими ді-ні-тро-фенол
Як ротенон, так і ціанід
Зупиніть мій потік електронів
І зупиніть розрахунок
мого співвідношення «P» до «O»
Запис Тіма Карплюса
Тексти пісень Кевіна Ahern
Запис Тім Карплюс Тексти пісень Кевіна Ahern
Я маленький мітохондріон
На мелодію «Я дроворуб»
Метаболічні мелодії Сайт ТУТ
У катаболічних шляхах, які використовують наші клітини
Окислення допомагають створити АТФ
Хоча вони знижують вільну енергію Гіббса
Завдяки ентальпії
Якщо субстрат перетворюється з алкоголю
До альдегіду або кетону зрозуміло
Ці електрони не зникають
Вони просто переставляють - дуже дивно
N-A-D у моїх вухах і в моїх очах
Допоможіть mol-e-cules отримати Окислений
Виготовлення N-A-D-H потім
І останнє є проблемою анаеробно
'Тому що накопичення його м'язи ненавидять
Вони реагують, використовуючи піруват
Для вироблення лактату
Каталізація необхідна для життя клітин
Таким чином, ферменти захоплюють свої субстрати з нетерпінням
Якщо вони зв'язуються з високою спорідненістю
Low Km ви бачите, так само, як я
N-A-D знаходиться в моїх вухах і в моїх очах
Допоможіть mol-e-cules окислюватися
роблячи N-A-D-H тоді
Н-А-Д
На мелодію «Пенні Лейн»
Метаболічні мелодії Сайт ТУТ
Запис Тім Карплюс
Тексти пісень Кевін Ахерн,
записаний Тім Карплюс Тексти пісень Кевін Ахерн
Коли електрони кисню всі знаходяться в збалансованому стані
Там дванадцять з них на о-два. Молекула велика
Але проблеми іноді трапляються на шляху до комплексу IV.
Створення реактивних форм, які клітина не може ігнорувати
О супероксиддисмутаза супер каталітична
Зберігання клітин від отримання дуже пероксинітритичних
Швидше, ніж радикал, його дії приголомшливі
Супероксиддисмутаза супер каталітична
Фермент, фермент глибоко всередині
Блокування всіх поганих оксидів
Основна перевага ферменту полягає в тому, що йому не доведеться чекати
Шляхом зв'язування супероксиду в околоперехідному стані
Він перетворює його на кисень в механізмі один
Виробництво «h два о два», коли цикл все зроблено
О, супероксиддисмутаза, ти швидше за всіх
У вас найвищий коефіцієнт kcat над KM
Це означає, що супероксид не може викликати занадто багато хаосу.
Супероксиддисмутаза швидше всіх
Супероксиддисмутаза
Зупинка шляхів супероксиду
Фермент схожий на м'яч для пінг-понгу, що механічно
Відскакує між двома мідними станами, плюс один і два ви бачите
Так S-O-D поводиться так само, як антиоксидант
Надання стільки захисту, скільки клітина може коли-небудь захотіти
О супероксиддисмутаза, клітина закохана в тебе
Тому що ви дозволяєте електронному транспорту робити те, що він повинен робити
Без скупчення радикала о два
Супероксиддисмутаза - ось чому клітина любить вас
Супероксиддисмутаза
На мелодію «Суперкаліфрагілістическіе експіалідоціус»
Метаболічні мелодії Сайт ТУТ
Тексти пісень Кевін Ahern
Немає запису для цієї пісні