Шпаргалка по "Биофизике"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30. Энергетическая сущность явления окислительного фосфорилирования. Коэффициент фосфорилирования (Р/О).

 

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ   ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ, синтез АТФ из аденозиндифосфата и   неорг.   фосфата,   осуществляющийся   в   живых клетках,   благодаря   энергии,   выделяющейся   при окислении орг.   в-в   в   процессе клеточного дыхания. В общем виде О.ф.  и его место в обмене в-в можно представить схемой:

 

АН2   -   орг.   в-ва,   окисляемые   в   дыхат.   цепи   (т.   наз. субстраты окисления,   или дыхания), АДФ - аденозиндифосфат, Р - неорг. фосфат.

Максимальная величина коэффициента фосфорили-рования,    составляет 3  (т.к.  в дыхательной   цепи   есть   только   3   участка,   где   перенос электронов сопряжен   с накоплением   энергии,   достаточным   для   образования АТФ ),   если реакция окисления идет с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через

флавиновые дегидрогеназы.   Экспериментально   определяемые   значения   Р/О,   как

правило,  оказываются меньше 3.  Это свидетельствует о том,  что процесс дыхания не

полностью сопряжен с фосфорилированием.

 

 

на синтез АТФ в  полной дых. системе может быть израсходовано 30,2*3=90,6 кДж/моль. Отсюда КПД ЦПЭ около 40 %. Остальная энергия рассеивается в виде тепла. 

Эффективность окислительного фосфорилирования:

Р/О – показатель отношение связанного в АТФ Фн к поглощенному кислороду.

=3 (НАДН,НАД, ПВК). =2 (фумарат, сукцинат). = 1 (аскорбат). = 4(2-кетоглутарат).

АДФ/О – отношение величины профосфор. АДФ к поглощенному кислороду.  

Дыхательный контроль – отношение поглощенного кислорода МТ, нах. в состоянии 3 по Чансу к поглощ. кислорода в состоянии 4 по Чансу (отношение интенсивности окисления в присутствии АДФ к интенсивности окисления после исчерпания запасов АДФ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31. Современное представление о строении и переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий.

Последовательность расположения компонентов дыхательной цепи определяется величиной их RedOx-потенциала и способностью переносить только электроны (e) либо одновременно и электроны, и протоны (p). Электроны переносятся от элементов с более низкими стандартными потенциалами (т.е. от более активных восстановителей) к элементам с более высокими стандартными потенциалами.

I комплекс – НАДН:CoQ-оксидоредуктаза (ФМН-зависимая, с FeS-центрами). Принимает на стороне митохондриального матрикса 2 Н+ от НАДН2, имеющего самый низкий стандартный потенциал (Е0= - 0,32 В), окисляя его до НАД, высвобождает 2 p в межмембранное пространство МТХ, а 2 e передает дальше по e-транспортной цепи – на III комплекс.

II комплекс – сукцинат-дегидрогеназа (ФАД-зависимая, с FeS-центрами), принимает 2 e и 2 p от ФАДН2 с Е0= - 0,25 В (окисляя его до ФАД) на стороне митохондриального матрикса и передает их напрямую на CoQ III комплекса, минуя I комплекс.

III комплекс – CoQН2:cyt c-оксидоредуктаза (с FeS-центром; включает в себя убихинон, FeS-белок и цитохромы b, c1, c), принимает e от комплексов I и II и передает на IV комплекс e-транспортной цепи, а также высвобождает в межмембранное пространство 2 p, полученных от II комплекса либо захваченных из митохондриального матрикса сопряжено с переносом пары e от I комплекса.

IV комплекс – цитохромоксидаза (комплекс цитохромов a, a3), переносит e с cyt c III комплекса на конечный акцептор – О2, восстанавливая его до Н2О с Е0= + 0,82 В в митохондриальном матриксе.

 

 

 

 

 

 

32. Современные  представления о механизме сопряжения  окисления и фосфорилирования в биосистемах.

 

Общепринятой в настоящее  время является хемиосмотическая теория, предложенная Митчеллом в 1961 году.

1. Процесс протекает на внутренней мембране митохондрий, где располагается дыхательная цепь ферментов.

2. Внутренняя мембрана непроницаема для протонов (и большинства катионов). Это свойство обусловливает возможность неравномерного распределения заряженных частиц по обе стороны мембраны. Движение протонов и электронов имеет строго определенную направленность.

3. Ферменты-переносчики  дыхательной цепи располагаются  в мембране зигзагообразно. Они способны не только акцептировать атомарный водород от окисляемых субстратов, но и транспортировать его в поперечном направлении через мембрану

Достигая противоположного (внешнего) слоя мембраны, переносчик освобождает в водное пространство снаружи от нее протоны, а электроны при участии дополнительных переносчиков направляются обратно к внутреннему слою мембраны и передаются очередному ферменту дыхательной цепи. Всего при переносе пары электронов (от НАД^.2Н) по дыхательной цепи происходит выталкивание в межмембранное пространство трех пар протонов. Таким образом, протоны транспортируются от внутреннего слоя мембраны со стороны матрикса к наружному со стороны межмембранного пространства, а электроны передаются по цепи ферментов, достигая конечного акцептора электронов – кислорода:  2е + ½ О₂ + Н₂О = 2ОН^- (1).

4. В результате такого  перераспределения электрических зарядов со стороны матрикса внутренняя мембраны оказывается заряженной отрицательно и щелочной (в ней накапливается избыток ОН^- -ионов за счет реакции (1) и остающихся ОН^- от диссоциации воды в матриксе), а со стороны межмембранного пространства - заряженной положительно и более кислой (за счет транспорта протонов). Электрохимический потенциал обозначают Δμ_Н+ и состоит он из электрического (ΔΨ – разности электрических потенциалов) и осмотического (ΔрН – разности концентраций протонов).

Δμ_Н+ = ΔΨ +  ΔрН

Основную величину (4/5) составляет электрический потенциал.

5. Возвращение протонов в матрикс осуществляется с помощью фермента аденозинтрифосфатазы (АТФ-азы или АТФ-синтазы). Этот фермент встроен во внутреннюю мембрану. Возникающие изменения в мембране (электрохимический потенциал) передаются АТФ-синтазе, которая активизируется и катализирует синтез АТФ.

АТФ. В условиях организма  в макроэргических связях АТФ  аккумулируется около 60% энергии электрохимического потенциала, остальное ее количество рассеивается в виде тепла, за счет чего поддерживается температура тела.

Следует отметить, что  протонный градиент на биомембранах может использоваться не только для синтеза АТФ, но и для других целей: для транспорта через мембраны нуклеозидди- и трифосфатов, для поддержания осмотического давления, для транспорта через мембраны веществ против градиента концентрации, для выработки тепла. 

Таким образом, окислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии электрохимического потенциала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33. Разнообразие  механизмов образования АТФ и  их вклад в энергетику клетки

 

АТФ возникает 2 путями:

1)аккумулирует энергию более  энергоёмких соединений, стоящих  выше АТФ в термодинамической  шкале без участия О2 – субстратное фосфорилирование: S-P+ADF= S + ATF

2) аккумулирует энергию элек.хим. потенциала при разрядке внутр. мембраны МТ- окисл.фосфор.

В   организме   АТФ   синтезируется   из АДФ,   используя   энергию   окисляющихся

веществ:АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.

Фосфорилирование   АДФ   возможно   двумя   способами: субстратное фосфорилирование и окислительное   фосфорилирование.   Основная   масса   АТФ образуется   на  мембранах митохондрий в   ходе   окислительного  фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой.  Субстратное фосфорилирование  АТФ не   требует   участия мембранных   ферментов,   оно   происходит   в   процессе гликолиза или   путём   переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений. Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.В  организме АТФ является   одним из   самых   часто   обновляемых   веществ,   так   у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза  (человеческий организм  синтезирует   около   40   кг  АТФ в   день),   то   есть   запаса  АТФ в   организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

 

 

34. Различные типы электрон-транспортных путей в живых организмах. Их роль в биоэнергетике клетки.

Дыхательная электронтранспортная цепь  — 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 прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий. 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.

Электронтранспортные цепи митохондрий эукариот

 В процессе переноса одной  пары электронов по дыхательной  цепи высвобождается и запасается  в виде трех молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Это составляет около 40 % высвободившейся при электронном транспорте энергии. Такой способ запасания энергии в клетке называется окислительным фосфорилированием или сопряженным фосфорилированием.

Электронтранспортные цепи бактерий

Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Большинство ферментов ЭТЦ индуцибельны и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.

Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, сера, сульфид, двухвалентное железо. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать формиат-, лактат-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гидрогеназа и т.д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: фумаратредуктазу, нитрат-и нитритредуктазу и т.д.

                          

 

 

ЭЦП фотосинтеза.

Линейный поток электронов происходит по так называемой Z-схеме. Поглощение кванта света свето-собирающим комплексом фотосистемы II (ССКII) и последующее разделение зарядов в пигменте реакционного центра PSII Р680 приводит к образованию высокопотенциального электрона, который далее переносится по цепи электронного транспорта. От первичного донора электронов, воды, электроны поступают на пигмент реакционного центра PSII Р680 и далее на феофетин и первичный QA и вторичный QB хинонные акцепторы. После переноса двух электронов на вторичный хинон QB полностью восстановленная молекула пластохинона диссоциирует в пул пластохинонов. Молекулы пластохинона осуществляют перенос электронов между PSII и цитохромным b6f комплексом посредством диффузии внутри бислойной липидной мембраны. Транспорт электронов от пластохинона к пластоцианину осуществляется цитохромным b6f комплексом по так называемому Q-циклу.В итоге такого цикла молекула пластохинола окисляется

 

35. Биофизика фотосинтеза: физическая и физико-химическая стадии, квантовый выход. Расчёт КПД. 

 

Световая фаза вкл. 3 процесса:

1. Начальной реакцией явл. фотофизический процесс восприятия квантов солнечной энергии и фотохимический процесс окислительного расщепления воды – фотоокисления;
2. Энергия электронов воды используется спец.мембранной системой для фосфорилирования АДФ и обр. АТФ в системе фотосинтетического фосфорилирования.
3. 3. Часть энергии электронов восстанавливает НАДФ+ в реакции фотовосстановления.

 

Продукты АТФ и НАДФН2 испол. Для синтеза глюкозы из СО2 – темновая стадия фотосинтеза.

1 стадия – физическая – вкл. физ. по природе р-ции поглощения Е света пигментами, запасание её в виде Е электронного возбуждения и миграции в реакционный центр. Р-ции очень быстрые, скорость 10-15 – 10-9 с. Всё это происходит в светособирающих антенных комплексах.

2 стадия – фотохимическая – происходит всё в реакционных центрах, скорость 10-9 с. Е электронного возбуждения пигмента реакционного центра исп-ся для разделения зарядов. Электрон с высоким энерг. потенциалом передаётся на первичный акцептор.

Физ-хим. сущность фотосинтеза: Ф. – процесс преобразования электромагнитной Е в Е хим. связей, сопровождающийся  генер. энергетического потенциала системы.

КПД процесса фотосинтеза  составляет обычно 6-8%, у хлореллы он достигает 20-25%. Большая часть поглощённой листом энергии теряется на тепловое излучение. В энергию химич. связей включается в ср. 1—2% поглощённой ФАР.

Осн. показатель Ф.— его интенсивность, т. е. кол-во газа, поглощённого или выделенного единицей массы или поверхности листа в единицу времени. Интенсивность Ф. зависит от вида растений, состояния листьев, внеш. условий (свет, СO2). Ф. лесных древесных растений в 5—8 раз ниже, чем Ф. травянистых растений открытых местообитаний.