Транспорт високоенергетичних електронів і протонів від субстрату, що окислюється, на кисень здійснює система, що складається з окислювально-відновних ферментів, локалізована на внутрішній мембрані мітохондрій. До складу цієї системи входять:

Піридинові дегідрогенази, у яких як коферменти виступають НАД (нікотинамідаденіндінуклеотид) або НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат);

Флавінові дегідрогенази (флавінові ферменти), роль небілкової частини у яких виконують ФАД (флавінаденіндинуклеотид) або ФМН (флавінмононуклеотид);

Убіхінон (кофермент Q);

Цитохроми.

Піридинові дегідрогенази. Будова НАД та НАДФ представлена ​​на рис. 4.

Нікотинамідаденін- Нікотинамідаденінді-

динуклеотид (НАД) нуклеотидфосфат (НАДФ)

Мал. 4. Будова НАД та НАДФ

НАД і НАДФ є динуклеотидами, нуклеотиди яких пов'язані пірофосфатним зв'язком (через два з'єднані між собою залишки фосфорної кислоти). До складу одного нуклеотиду входить амід нікотинової кислоти (вітамін РР), інший нуклеотид представлений аденіловою кислотою. У молекулі НАДФ є додатковий залишок фосфорної кислоти, приєднаний до другого вуглецевого атома рибози, пов'язаної з аденіловою кислотою.

НАД та НАДФ є коферментами великої кількості специфічних для різних субстратів окислення дегідрогеназу. Зв'язок між ними та білковою частиною неміцний, вони об'єднуються тільки безпосередньо в момент реакції.

Деякі піридинові дегідрогенази локалізовані в матриксі мітохондрій. НАД-залежні дегідрогенази передають електрони та протони в дихальний ланцюг, НАДФ-залежні дегідрогенази служать джерелом відновлювальних еквівалентів для реакцій біосинтезу

Активною частиною НАД та НАДФ є вітамін РР. При взаємодії з відновленим субстратом піридинове кільце вітаміну РР пов'язує два електрони та протон, другий протон залишається в середовищі (рис. 5).

Мал. 5. Окислення субстрату піридиновими дегідрогеназами

Флавінові ферменти.На відміну від НАД та НАДФ, простетичні групи флавінових ферментів (ФАД та ФМН) міцно пов'язані з білковою частиною. Обидві простетичні групи містять метаболічно активну форму рибофлавіну (вітаміну В 2), до якої в процесі їхнього відновлення приєднуються атоми водню (рис.6).

Мал. 6. Окислення субстратів активною частиною(вітамін В 2) простетичної групи флавінових ферментів

ФМН-залежна дегідрогеназа виконує роль проміжного переносника електронів та протонів між НАД та убіхіноном, тобто. є безпосереднім учасником дихального ланцюга.

Убіхінон (кофермент Q).Убіхінон є похідним бензохінону з довгим бічним ланцюгом. Його будова представлена ​​на рис.7.

Мал. 7. Будова коферменту Q (убіхінону)

Кофермент Q відіграє роль проміжного переносника електронів та протонів у дихальному ланцюзі, безпосередньо окислюючи флавінові ферменти. Місце приєднання протонів та електронів – атоми кисню в кільці бензохінону (рис. 8):

Мал. 8. Механізм перенесення протонів молекулою коферменту Q (убіхіна)

Цитохроми.Цитохроми належать до класу хромопротеїнів. До їх складу входить залізовмісний гем, за своєю будовою аналогічний гему гемоглобіну. Різні цитохроми відрізняються будовою бічних ланцюгів у структурі гему, структурою білкових компонентів способом з'єднання гему з білковим компонентом. Функція цитохромів пов'язані з перенесенням електронів від убихинона до кисню. Вони локалізовані в дихальному ланцюгу у певній послідовності:

Цит.b →цит.с 1 → цит.с → цит.аа 3

Цитохроми b, з 1 і з виконують функцію проміжних переносників електронів, а комплекс цитохромів а і а 3, званий цитохромоксидазою, є термінальним дихальним ферментом, що безпосередньо взаємодіє з киснем. Цей комплекс складається з шести субодиниць, кожна з яких містить гемінову групу та атом міді. Дві субодиниці з шести становлять цитохром а, інші чотири утворюють цитохром а 3.

Перенесення цитохромами електронів безпосередньо пов'язані з присутністю у складі іонів заліза. Окислена форма цитохромів містить Fе 3+. Приймаючи електрони від убихинона чи іншого цитохрому, Fe 3+ перетворюється на відновлений стан (Fе 2+), а передаючи електрони іншому цитохрому чи кисню, Fe 2+ знову перетворюється на окислений стан (F 3+).

Кисень, приймаючи електрони від цитохромоксидази, переходить в активний (іонізований) стан, потім приймає два протони з довкілля. Внаслідок цього утворюється молекула води.

Схематично систему перенесення електронів та протонів по дихальному ланцюзі можна подати наступним чином (рис. 9):

Мал. 9. Послідовність розташування переносників електронів та протонів у дихальному ланцюгу

Фермент Білкова частина (апофермент) Небілкова частина (кофактор) неорганічний іон коферменти простетичні групи апофермент + кофактор = голофермент

Роль кофакторів можуть грати різні речовини – від простих неорганічних іонів до складних органічних молекул; в одних випадках вони залишаються незмінними наприкінці реакції, в інших – регенерують у результаті того чи іншого наступного процесу.

Якщо кофактор представлений у вигляді органічної молекули (деякі з таких молекул близькі до вітамінів), то остання може бути міцно пов'язана з ферментом (у цьому випадку її називають простетичною групою) або слабко пов'язана з ним (і тоді її називають коферментом).

Неорганічні іони (активатори ферментів)

Іони змушують молекули ферменту або субстрату прийняти форму, що сприяє утворенню E-S-комплексу. Тим самим збільшуються шанси на те, що фермент і субстрат дійсно прореагують один з одним, а отже, зростає швидкість реакції, що каталізується даним ферментом.

приклад.Активність амілази слини підвищується у присутності хлорид-іонів.

Простетичні групи (фад, фмн, біотин, гем)

Ця органічна молекула займає таке становище, у якому може ефективно сприяти каталітичної функції свого ферменту.

приклад 1.Флавінаденіндінуклеотид (ФАД) містить рибофлавін (вітамін B 2), який є водень акцепторною частиною його молекули. Функція ФАД пов'язана з окислювальними шляхами клітини, зокрема з процесом дихання, в якому ФАД грає роль одного з переносників у дихальному ланцюгу:

Кінцевий результат: 2H переносяться до A і B. Як сполучна ланка між A і B діє голофермент.

Мал. 8 Вітамін як компонент простетичної групи (представлена ​​структура ФАД – флавінаденін динуклеотид).

приклад 2.Гем - це залізовмісна простетична група. Його молекула має форму плоского кільця, в центрі якого знаходиться атом заліза (порфіринове кільце, таке ж, як у хлорофілу). Гем виконує в організмі низку біологічно важливих функцій. Перенесення електронів. Як простетична група цитохромів гем виступає як переносник електронів. Приєднуючи електрони, залізо відновлюється до Fe(II), а віддаючи їх окислюється до Fe(III). Гем, отже, бере участь у окислювально-відновних реакціях за рахунок оборотних змін валентності заліза. Перенесення кисню. Гемоглобін і міоглобін - два гемовмісні білки, що здійснюють перенесення кисню. Залізо перебуває у них у відновленій формі. Каталітична функція. Гем входить до складу каталаз і пероксидаз, що каталізують розщеплення перекису водню та води.

Коферменти (над, надф, кофермент, атф)

приклад.Нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД), похідна нікотинової кислоти, може існувати як в окислювальній, так і у відновлювальній формі. В окислювальній формі НАД при каталізі відіграє роль акцептора водню:

Тут E 1 і E 2 - дві різні дегідрогенази. Кінцевий результат: 2H переносяться від A до B. Тут як сполучна ланка між двома різними ферментними системами E 1 і E 2 діє кофермент.

Мал. 9 Вітамін як компонент коферменту (представлені структури НАД, НАДФ та АТФ).

- синтез органічних речовин з Вуглекислий газта води з обов'язковим використанням енергії світла:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q світла → З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

У вищих рослин органом фотосинтезу є лист, органоїдами фотосинтезу – хлоропласти (будова хлоропластів – лекція №7). У мембрани тилакоїдів хлоропластів вбудовані фотосинтетичні пігменти: хлорофіли та каротиноїди. Існує декілька різних типівхлорофілу ( a, b, c, d), головним є хлорофіл a. У молекулі хлорофілу можна виділити порфіринову "головку" з атомом магнію в центрі та фітольний "хвіст". Порфириновая «головка» являє собою плоску структуру, є гідрофільною і тому лежить на поверхні мембрани, яка звернена до водного середовища строми. Фітольний "хвіст" - гідрофобний і за рахунок цього утримує молекулу хлорофілу в мембрані.

Хлорофіли поглинають червоне і синьо-фіолетове світло, відбивають зелене і тому надають рослинам характерного зеленого забарвлення. Молекули хлорофілу в мембранах тилакоїдів організовані в фотосистеми. У рослин та синьо-зелених водоростей є фотосистема-1 та фотосистема-2, у фотосинтезуючих бактерій — фотосистема-1. Тільки фотосистема-2 може розкладати воду з кисню і відбирати електрони у водню води.

Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес; реакції фотосинтезу поділяють на дві групи: реакції світловий фазита реакції темнової фази.

Світлова фаза

Ця фаза відбувається лише у присутності світла в мембранах тилакоїдів за участю хлорофілу, білків-переносників електронів та ферменту – АТФ-синтетази. Під впливом кванта світла електрони хлорофілу збуджуються, залишають молекулу і потрапляють на зовнішній бік мембрани тилакоїда, що у результаті заряджається негативно. Окислені молекули хлорофілу відновлюються, відбираючи електрони у води, що знаходиться у внутрішньотілакоїдному просторі. Це призводить до розпаду або фотолізу води:

Н 2 О + Q світла → Н + + ВІН -.

Іони гідроксилу віддають свої електрони, перетворюючись на реакційноздатні радикали.

ВІН - →. ВІН + е -.

Радикали.ОН об'єднуються, утворюючи воду і вільний кисень:

4НО. → 2Н2О+О2.

Кисень при цьому видаляється в зовнішнє середовище, А протони накопичуються всередині тилакоїда в «протонному резервуарі». Через війну мембрана тилакоїда з одного боку з допомогою Н + заряджається позитивно, з іншого з допомогою електронів — негативно. Коли різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонамимембрани тилакоїду досягає 200 мВ, протони проштовхуються через канали АТФ-синтетази та відбувається фосфорилювання АДФ до АТФ; атомарний водень йде на відновлення специфічного переносника НАДФ+ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:

2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ · Н 2 .

Таким чином, у світлову фазу відбувається фотоліз води, який супроводжується трьома. найважливішими процесами: 1) синтезом АТФ; 2) освітою НАДФ · Н 2; 3) освітою кисню. Кисень дифундує в атмосферу, АТФ і НАДФ Н 2 транспортуються в строму хлоропласту і беруть участь у процесах темнової фази.

1 - строма хлоропласту; 2 - тилакоїд грани.

Темнова фаза

Ця фаза протікає у стромі хлоропласту. Для її реакцій не потрібна енергія світла, тому вони відбуваються не тільки на світлі, а й у темряві. Реакції темнової фази є ланцюжок послідовних перетворень вуглекислого газу (надходить з повітря), що призводить до утворення глюкози та інших органічних речовин.

Перша реакція у цьому ланцюжку - фіксація вуглекислого газу; акцептором вуглекислого газу є п'ятивуглецевий цукор рибулозобіфосфат(РіБФ); каталізує реакцію фермент рибулозобіфосфат-карбоксилаза(РіБФ-карбоксилаза). В результаті карбоксилювання рибулозобісфосфату утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка відразу ж розпадається на дві молекули. фосфогліцеринової кислоти(ФГК). Потім відбувається цикл реакцій, у яких через ряд проміжних продуктів фосфогліцеринова кислота перетворюється на глюкозу. У цих реакціях використовуються енергії АТФ і НАДФ·Н 2 утворених у світлову фазу; цикл цих реакцій отримав назву «цикл Кальвіна»:

6СО 2 + 24Н + + АТФ → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

Крім глюкози, у процесі фотосинтезу утворюються інші мономери складних органічних сполук- амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти, нуклеотиди. В даний час розрізняють два типи фотосинтезу: 3 - і 4 -фотосинтез.

З 3-фотосинтез

Це тип фотосинтезу, при якому першим продуктом є тривуглецеві (3) сполуки. З 3-фотосинтез був відкритий раніше З 4-фотосинтезу (М. Кальвін). Саме З 3 -фотосинтез описаний вище, у рубриці "Темнова фаза". Характерні рисиЗ 3-фотосинтезу: 1) акцептором вуглекислого газу є РиБФ, 2) реакцію карбоксилювання РиБФ каталізує РиБФ-карбоксилаза, 3) в результаті карбоксилювання РіБФ утворюється шестивуглецеве з'єднання, яке розпадається на дві ФГК. ФГК відновлюється до тріозофосфатів(ТФ). Частина ТФ йде на регенерацію РіБФ, частина перетворюється на глюкозу.

1 - хлоропласт; 2 - пероксисома; 3 - мітохондрія.

Це світлозалежне поглинання кисню та виділення вуглекислого газу. Ще на початку минулого століття було встановлено, що кисень пригнічує фотосинтез. Як виявилося, для РиБФ-карбоксилази субстратом може бути не лише вуглекислий газ, а й кисень:

Про 2+РіБФ → фосфогліколат (2С) + ФГК (3С).

Фермент у своїй називається РиБФ-оксигеназой. Кисень є конкурентним інгібітором фіксації вуглекислого газу. Фосфатна група відщеплюється, і фосфогліколат стає гліколатом, який рослина має утилізувати. Він надходить у пероксисоми, де окислюється до гліцину. Гліцин надходить у мітохондрії, де окислюється до серину, при цьому відбувається втрата вже фіксованого вуглецю у вигляді 2 . У результаті дві молекули гліколату (2С + 2С) перетворюються на одну ФГК (3С) та СО 2 . Фотодихання призводить до зниження врожайності З 3-рослин на 30-40% ( З 3-рослини- рослини, для яких характерний С3-фотосинтез).

4 -фотосинтез - фотосинтез, при якому першим продуктом є чотиривуглецеві (З 4) сполуки. У 1965 році було встановлено, що у деяких рослин (цукрова тростина, кукурудза, сорго, просо) першими продуктами фотосинтезу є чотиривуглецеві кислоти. Такі рослини назвали З 4-рослинами. У 1966 році австралійські вчені Хетч і Слек показали, що у С 4-рослин практично відсутній фотодих і вони набагато ефективніше поглинають вуглекислий газ. Шлях перетворень вуглецю в 4 -рослинах стали називати шляхом Хетча-Слека.

Для З 4-рослин характерно особливе анатомічна будовалиста. Усі провідні пучки оточені подвійним шаром клітин: зовнішній – клітини мезофілу, внутрішній – клітини обкладки. Вуглекислий газ фіксується в цитоплазмі клітин мезофілу, акцептор - фосфоенолпіруват(ФЕП, 3С), в результаті карбоксилювання ФЕП утворюється оксалоацетат (4С). Процес каталізується ФЕП-карбоксилазою. На відміну від РиБФ-карбоксилази ФЕП-карбоксилаза має велику спорідненість до СО 2 і, найголовніше, не взаємодіє з О 2 . У хлоропластах мезофілу багато гран, де активно йдуть реакції світлової фази. У хлоропластах клітин обкладки йдуть реакції темнової фази.

Оксалоацетат (4С) перетворюється на малат, який через плазмодесми транспортується на клітини обкладки. Тут він декарбоксилюється і дегідрується з утворенням пірувату, 2 і НАДФ·Н 2 .

Піруват повертається в клітини мезофілу та регенерує за рахунок енергії АТФ у ФЕП. 2 знову фіксується РиБФ-карбоксилазою з утворенням ФГК. Регенерація ФЕП вимагає енергії АТФ, тому потрібно майже вдвічі більше енергії, ніж при 3 -фотосинтезі.

Значення фотосинтезу

Завдяки фотосинтезу щорічно з атмосфери поглинаються мільярди тонн вуглекислого газу, виділяються мільярди тонн кисню; Фотосинтез є основним джерелом утворення органічних речовин. З кисню утворюється озоновий шар, що захищає живі організми від короткохвильової ультрафіолетової радіації.

При фотосинтезі зелений лист використовує лише близько 1% падаючої на нього сонячної енергіїпродуктивність становить близько 1 г органічної речовини на 1 м 2 поверхні на годину.

Хемосинтез

Синтез органічних сполук із вуглекислого газу та води, що здійснюється не за рахунок енергії світла, а за рахунок енергії окислення неорганічних речовин, називається хемосинтезом. До хемосинтезуючих організмів належать деякі види бактерій.

Нітрифікуючі бактеріїокислюють аміак до азотистої, а потім до азотної кислоти (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Залізобактеріїперетворюють закисне залізо на окисне (Fe 2+ → Fe 3+).

Серобактеріїокислюють сірководень до сірки або сірчаної кислоти (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Внаслідок реакцій окислення неорганічних речовин виділяється енергія, яка запасається бактеріями у формі макроергічних зв'язків АТФ. АТФ використовується для синтезу органічних речовин, який проходить аналогічно до реакцій темнової фази фотосинтезу.

Хемосинтезуючі бактерії сприяють накопиченню в ґрунті мінеральних речовин, покращують родючість ґрунту, сприяють очищенню. стічних водта ін.

Перейти до лекції №11«Поняття обміну речовин. Біосинтез білків»

Перейти до лекції №13«Способи розподілу еукаріотичних клітин: мітоз, мейоз, амітоз»

НАДН – основа енергії та життя

У звичному значенні біологічне життя можна визначити як здатність генерувати енергію всередині клітини. Ця енергія – макроергічні фосфатні зв'язки хімічних речовин, що синтезуються в організмі. Найбільш важливими макроергічні сполуки є аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), креатинфосфорна кислота, нікотинамідинуклеотид фосфат (НАД(Н) і НАДФ(Н)), фосфорильовані вуглеводи.

Нікотинамід-аденін-динуклеотид (НАДН, NADН) – кофермент, присутній у всіх живих клітинах, входить до складу ферментів групи дегідрогеназ, що каталізують окисно-відновні реакції; виконує функцію переносника електронів і водню, які приймає від речовин, що окислюються. Відновлена ​​форма (NADH) здатна переносити їх на інші речовини.

Як підвищити працездатність

Що таке NADH? Багато хто її називає “абревіатурою життя”. І це справді так. NADH (коензим нікотинамідаденіндінуклеотид) міститься у всіх живих клітинах і є життєво необхідним елементом, за допомогою якого всередині клітин виробляється енергія. NADH бере участь у виробленні АТФ (АТР). НАД(Н), як універсальна молекула енергії, на відміну від АТФ, постійно може розвантажувати мітохондрії від надмірного накопичення лактату у бік утворення з нього пірувату, за рахунок стимуляції піруватдегідрогеназного комплексу, який чутливий саме до відношенню НАД(Н)/НАД.

Синдром хронічної втоми: фокус на мітохондрії

Ряд клінічних дослідженьпоказав ефективність препаратів НАДН при СХП. Добова доза зазвичай становила 50 мг. Найбільш сильний ефект наставав після 2-4 тижнів лікування. Стомлюваність знижувалася на 37-52%. Крім того, покращувався такий об'єктивний когнітивний параметр, як концентрація уваги.

НАДН у лікуванні синдрому хронічної втоми

НАДН (кофермент вітаміну В3), присутній у всіх живих клітинах, входить до складу ферментів групи дегідрогеназ, що каталізують окисно-відновні реакції; виконує функцію переносника електронів і водню, які приймає від речовин, що окислюються. Є резервним джерелом енергії у клітинах. Він бере участь практично у всіх реакціях освіти енергії, забезпечуючи дихання клітин. Впливаючи на відповідні процеси в мозку ко-фермент вітаміну В3, може запобігати загибелі нервових клітинпри гіпоксії чи вікових змінах. Бере участь у процесах детоксикації у печінці. У Останнім часомвстановлено його властивість блокувати лактатдегідрогеназу і, тим самим, обмежувати ішемічне та/або гіпоксичне пошкодження міокараду. Дослідження ефективності орального застосування під час лікування синдрому хронічної втоми підтвердили його активізуючий вплив на стан людей.

НАДН у спорті та медицині: огляд іноземної літератури

Про НАДН (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) ми писали в попередніх статтях. Зараз ми хочемо надати інформацію з англомовних джерел, про роль і значення цієї речовини в обміні енергії в організмі, його вплив на нервову систему, та ролі у розвитку низки патологічних ситуацій та перспективах застосування в медицині та спорті. (Завантажити монографію про НАДН).

Herbalife Quickspark CoEnzyme 1 (NADH) ATP Energy

Natural Energy на Cellular Level

Quickspark є продуктом компанії Herbalife. Це є стабільною формою Vitamin B3 CoEnzyme1. CoEnzyme1 був відомий в 1906 році в Австрії як дослідник названий Profesor George Birkmayer. CoEnzyme1 був розроблений для медичних пристосувань і використовувався в другій світовій війні.

NADH (Enada)

Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) є substance, що вказує на функціональність організму в організмі. NADH відіграє роль у виробництві енергетики і приладів, що виробляють L-dopa, які тілі беруть в neurotransmitter dopamine. NADH is being evaluated for many conditions and may be helpful for enhancing mental functionality and memory.

Недостатній вміст їжі нікотинової кислоти (рис. 10-6) викликає в людей захворювання, яке називається пеллагрою (від італійського слова, що означає «шорстка шкіра»). Пелагра поширена в багатьох районах світу, де люди харчуються в основному кукурудзою та їдять мало м'яса, молока та яєць. З метою профілактики та лікування пелагри можна використовувати як нікотинову кислоту, так і її аміднікотинамід. Щоб комусь не спала на думку думка про можливість вживання в їжу тютюну як джерела цього вітаміну, нікотинової кислотибуло дано іншу (умовну) назву – ніацин.

Нікотинамід-компонент двох близьких за структурою коферментів-нікотинамідаденіндінуклеотиду (NAD) і нікотинамідаденіндінуклеотид фосфату (NADP). Будова цих коферментів показано на рис. 10-6. NADP відрізняється від NAD наявністю у молекулі фосфатної групи. Ці коферменти можуть бути як в окисленій так і в відновленій (NADH і NADPH) формах. Нікотинамідний компонент цих коферментів відіграє роль проміжного переносника гідрид-іону, який ферментативно відщеплюється від молекули субстрату під дією специфічних дегідрогеназ (рис. 10-7). Як приклад можна навести реакцію, що каталізується малатдегідрогеназою, яка дегідрує малат, перетворюючи його на оксалоацетат; ця реакція є одним з етапів окислення вуглеводів і жирних кислот. Малатдегідрогеназа каталізує також оборотний перенесення гідрид-іону від малату до в результаті чого утворюється NADH; другий атом водню відщеплюється від гідроксильної групи молекули малата у вигляді вільного іона

Відомо велике числодегідрогеназ такого типу, з яких кожна має специфічність по відношенню до якогось певного субстрату. Одні з цих ферментів використовують як кофермент інші - а треті можуть функціонувати з будь-яким з цих двох коферментів.

Мал. 10-7. Загальне рівняння, що показує, як діє як кофермент у реакціях ферментативного дегідрування. Молекула субстрату та продукти реакції виділені червоним кольором. Зображена тільки іїкотинамідна частина молекули, решта її частини позначена буквою R.

У більшості дегідрогеназ NAD (або NADP) зв'язується з білковою частиною ферменту тільки під час каталітичного циклу, проте відомі і такі ферменти, з якими ці коферменти пов'язані дуже міцно та постійно присутні в активному центрі.