Лекция №10. Окислительное фосфорилирование типы жизни, основаные на нём

ЛЕКЦИЯ №10. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ТИПЫ ЖИЗНИ, ОСНОВАНЫЕ НА НЁМ.

Взаимодействие прокариот с О2.

Защитные механизмы клетки.

Участие О2 в метаболизме прокариот.

Некоторые особенности окислительного фосфорилирования у хемолитотрофов и хемоорганотрофов.

Взаимодействие прокариот с О2

Образование О2 и его выделение в атмосферу связано с наиболее примитивными МО – цианобактериями. Вначале содержание О2 в атмосфере было незначительным, но для того, чтобы организм перешел с брожения на дыхание (т.е. получение энергии другим способои) достаточна была концентрация О2 – 0,2%. Появление молекулярного О2 явилось событием, которое осуществило перестройку всего того, что сформировалось на Земле в докислородную эпоху. Прежде всего это касалось живых организмов.

Появление О2 в атмосфере способствовало протеканию окислительных реакций в широких масштабах. Атмосфера из восстановительной стала окислительной и возникла проблема донора электронов.

Первоначально О2 появился внутри клетки, что породило проблему взаимодействия клетки с ним. У первых фотосинтезирующих прокариот и у анаэробов не было ферментных систем, которые позволили бы использовать О2 как акцептора, а также не было ферментных систем, способных его нейтрализовать. Т.е. О2 был токсичен для клетки. Свидетельством того является крайняя токсичность О2 для существующих облигатных анаэробов.

По мере накопления О2 произошло разделение прокариот на анаэробов (т.е. такие МО перешли в места обитания, где О2 отсутствовал) и аэробов, т.е. таких МО, которые изменили метаболизм и в первую очередь сформировали метаболические реакции для нейтрализации токсического действия О».

Коротко рассмотрим токсичные эффекты О2 для клеток.

Действия молекулярного О2:

сам О2 является токсичным соединением, т.к. он способен окислять клеточные метаболиты;

О2 способен окислять и т.о. инактивировать ряд ферментов:

- нитрогеназную систему – это система, катализирующая фиксацию молекулярного азота и состоит из 2-х металлопротеидов (белка, содержащего Fe и Mo и белка, содержащего Fe. Токсичность О2 определяется чувствительностью их металлоцентров, в случае их окисления теряется способность в связывании субстрата и переносе электронов.

- гидрогеназы – особенно чувствительны эти ферменты, связанные с мембраной.

- рибулозодифосфаткарбоксилазу – этот фермент катализирует фиксацию СО2 и его функционирование зависит от парциальных давлений СО2 и О2. Если преобладает СО2, то проявляется карбоксилазная активность фермента (рибулозо-1,5-дифосфат →2м-лы 3-фосфоглицериновой кислоты)., а если преобладает О2, то проявляется оксигеназная активность фермента (рибулозо-1,5-дифосфат→3ФГК+фосфогликолевая кислота).

Молекулы О2 и СО2 конкурируют за каталитический центр фермента. Протекание реакции по оксигеназному пути приводит к ухудшению работы цикла Кальвина в клетке.

Действия супероксидного аниона:

В клетке могут возникать продукты неполного восстановления О2. При переносе 1-го электрона на О2 образуется супероксидный анион О2+е→О2

Супераксидный анион может принимать участие в реакциях, приводящих к различным повреждениям в клетке: перекисном окислении ненасыщенных жирных кислот, повреждении ДНК, окислении SH-групп, деполимеризации кислых полисахаридов.

Он превосходит по окислительной активности и токсичности супераксидный анион. Он образуется внутри клетки при реакции одноэлектронного окисления Н2О2, катализируемых железосодержащими соединениями, а также при радиолизе Н20. вызывает повреждение многих биополимеров.

Образуется у всех факультативных аэробов и факультативных анаэробов. Она является наиболее стабильным из промежуточных продуктов восстановления О2, но и наименее реакционноспособной. Вызывает окисление SH-группы в белках, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Возможно, что токсический эффект является результатом не прямого воздействия Н2О2, а образовавшегося с её участием гидроксидного радикала.

В норме О2 находится в стабильном состоянии (триплетном). Он может образовываться в результате спонтанной дисмутации супераксидных анионов, а также при взаимодействии 2-х радикалов: супераксидного аниона и гидроксида:

Фотодинамический эффект – на свету токсичность молекулярного О2 повышается. Этому способствуют находящиеся в клетке вещества, поглощающие свет (фотосенсибилизаторы), это все пигменты. Фотодинамический эффект – это окисление биологических молекул под влиянием света в присутствии молекулярного О2 и красителя.

У прокариот в результате фотодинамического эффекта индуцируются повреждения многих типов: утрата способности формировать колонии, повреждение ДНК, белков, клеточных мембран. Причина – фотоокисление некоторых АК, нуклеозидов, липидов, полисахаридов.

Фотосинтезирующие организмы защищают от летальных эффектов каротиноиды и антиоксиданты (£-токоферол).

Азон и атмосферный кислород:

Каждый поглощенный кислородом фотон света приводит к образованию 2-х атомов О2:

О2+ hv→2О, затем спонтанно: О2+О→О3 9азон)

Как окислители они сильнее О2 и могут реагировать практически со всеми типами соединений с образованием радикалов.

Защитные механизмы клетки

Для нейтрализации токсичных форм О2 существующие прокариоты выработали различные защитные механизмы, которые можно разделить на несколько типов:

- 1 тип защиты – существуют ферменты, разлагающие токсичные формы О2;

- 2 тип – для разрушения токсичных форм О2 используются определенные метаболиты;

- 3 тип – различные приспособления прокариот, выработанные на разных уровнях: популяционном, физиологическом и структурном.

1. Ферментные системы защиты:

Супероксиддисмутаза – обнаружена у многих прокариот. У некоторых аэротолерантных (Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus) её нет, но в этих клетках много ионов магния, т.к. он способен также эффективно убирать образующиеся супероксидные анионы. У строгих анаэробов этот фермент есть, предполагают, что когда они попадают в неблагоприятные условия (в присутствии О2), то этот фермент обеспечивает им защиту.

Этот фермент содержит в активном центре в качестве простетической группы ионы Me (Mn++ или Fe++); этот фермент локализован в цитоплазме.

Предполагают, что Fe-содержащий фермент защищает клетку от экзогенных супераксидных анионов, а Mn-содержащий – от эндогенных.

Каталаза и пероксидаза – эти ферменты мало распространены или отсутствуют у облигатных анаэробов, у остальных прокариот – распространены также оксиддисмутаза. У молочнокислых нет каталазы, т.к. они не могут синтезировать апофермент. Н2О2 под действием каталазы превращается (восстанавливается) до Н2О.

У анаэробов иногда достаточно действия только супероксиддисмутазы. У аэробов функционируют все 3 фермента.

2. Защита с помощью клеточных метаболитов:

Защита против одного из самых токсичных производных – синглентного О2 – осуществляется с помощью каротиноидных пигментов.

В клетке фотосинтезирующих прокариот активными фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы. Они поглощают свет, причем незначительное количество молекул хлорофилла переходят в возбужденное триплетное состояние. В это время возникает возможность фотодинамического поражения.