Основные принципы организации метаболизма этапность конвергенция унификация. Общие аспекты метаболизма

Каждый хочет быть стройным, похудеть или поправиться. Для этого изучили массу диет, испробовали все на себе, но…результата нет. Почему? Забыли о таком главном дирижере нашего организма, как метаболизм.

Все когда-то учились в школе и слышали, что такое метаболизм организма, но не всегда задумывались серьезно о том, как важны эти знания. Каждый хочет быть стройным и подтянутым, похудеть, или поправиться. Для этого изучили массу диет, прочитали не один трактат, испробовали все на себе, но…желаемого результата нет. Почему? Забыли о таком главном дирижере нашего организма, как метаболизм.

Что такое метаболизм

Метаболизм (обмен веществ) – химические реакции, ежесекундно, ежечасно протекающие в организме человека. Обмен веществ – процесс непрерывный, и его условно разделяют на анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (биологический синтез) – процесс образования сложных веществ из более простых компонентов, которые поступают в организм человека в составе пищи. Что синтезируют клетки, какие вещества? Всего не перечислить, но основные – белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, АТФ (клеточный источник энергии).

Катаболизм (обмен энергетический) – совокупность химических реакций разложения органических веществ до более простых, высвобождение из них химической энергии, часть которой превращается в тепловую, часть расходуется на образование энергетического вещества (АТФ). Эти два процесса тесно связаны между собой, не могут существовать друг без друга, как день и ночь.

Этапы метаболизма

1. Подготовительный. Происходит в пищеварительной системе. В различных отделах пищеварительной системы происходит выделение из пищи питательных веществ, расщепление при участии пищеварительных соков, всасывание в кровь. С кровотоком эти вещества движутся в клетки организма, в которых происходят их химические преобразования.
2. Из аминокислот (продуктов расщепления белковой пищи) в клетках синтезируются белки. Из глюкозы – разнообразные углеводы. Из глицерина и жирных кислот образуются жиры. Все это многообразие веществ используется клетками для построения структурных частиц клетки, роста, развития человека.
3. Часть питательных веществ окисляется (вот для чего нужен кислород) с образованием энергетического вещества АТФ. Клетки организма могут усваивать химическую энергию, запасенную только в этих молекулах.

Нарушение обмена веществ

Часто можно услышать от человека, страдающего ожирением, или, наоборот, худобой, что у него в организме нарушен обмен веществ. Скорее всего, первичным у большинства людей является неправильный образ жизни, нарушение правил рационального питания, что и вызвало нарушение обмена веществ. Нарушенный обмен веществ часто становится причиной серьезных проблем в работе организма.

Основные причины нарушения метаболизма:

• неблагоприятная наследственность;
• эндокринные проблемы;
• неправильный, пагубный образ жизни.

Что влияет на скорость обмена веществ

Ускоренный или замедленный метаболизм зависит от ряда факторов:

• пола, возраста человека;
• веса тела, количества накопленной жировой ткани;
• хронических патологий.

Интенсивность и качество метаболизма сказывается на работе всего организма, внешний вид человека, его психоэмоциональное состояние.

Что нарушает метаболизм

Нарушает метаболизм:

• ограничение рациона и низкокалорийная пища;
• недостаток в пище витаминов и основных питательных компонентов;
• неправильный режим питания;
• малоподвижный, сидячий образ жизни;
• нарушение водного баланса.

Что ускорит метаболизм

1. Не ограничивать резко свой рацион, чередовать калорийную пищу с низкокалорийной. Не вгонять свой организм в стрессовое состояние, при котором он будет посылать сигналы головному мозгу о наступлении голода и необходимости запасать питательные вещества. А запасаться в организме, замедляя обменные процессы, может только жир. Ограничить, или вообще исключить из рациона нужно алкогольные напитки и вредные для организма вещества, например, табак, ненатуральную пищу.
2. Запустить и ускорить обменные процессы можно питанием дробными порциями. Дробное питание способствует постоянному перевариванию пищи, на что затрачивается большое количество энергии, а, значит, не грозит образованием жировых запасов.
3. Чтобы ускорить и улучшить обменные процессы, важно вести активный, подвижный образ жизни: сердце работает интенсивнее, больше приливает крови и кислорода к органам, что дает возможность усилить химические процессы расщепления, сгорания жиров. Полезно посещение сауны.
4. Ускорить и улучшить обмен веществ помогут витамины и микроэлементы качественной пищи. В некоторых случаях полезны пищевые добавки, поливитамины, но употреблять их можно только после консультации с диетологом или врачом.
5. Вода необходима для протекания химических реакций в клетках тканей и органов. Если увеличить количество воды, выпивать за сутки до двух литров, то такое ее количество поможет улучшить клеточные обменные процессы в организме.
6. Важен полноценный сон. Медиками давно подмечено: уменьшение времени сна отрицательно сказывается на работе организма. Продолжительность ночного отдыха у каждого человека индивидуальна, но не менее 6-7 часов. Важно ложиться отдыхать до полуночи.
7. Ускорить, улучшить обмен веществ поможет полноценный, качественный завтрак, иначе организм не сможет проснуться до самого обеда. Завтрак поможет повысить жизненный тонус, придаст силы, увеличит активность человека, что, в свою очередь, даст возможность ускорить обменные процессы, улучшить качество жизни.
8. Негативно сказываются на организме стрессы, депрессии. Они могут не то что повысить обмен веществ, а, наоборот, его замедлить. К тому же стрессы часто заедаются сладостями, булочками, пирожными, шоколадками, что совсем не полезно, может увеличить вес.

Продукты для ускорения обмена веществ

Желательно, чтобы на столе были такие продукты питания:

• мясо и белковые продукты, яйца, рыба (скумбрия, форель, лосось, семга);
• овсяные хлопья и фрукты, цитрусовые, имбирь;
• творог, кефир, нежирные йогурты;
• специи (корица, пряные травы), перец чили;
• водоросли и морепродукты.

Жирные кислоты, содержащиеся в рыбе, способствуют выработке гормона, влияющего на скорость реакций. Белки – главный строительный материал, основа ферментов, отвечающих за активность химических реакций.

Значение метаболизма

Анаболизм и катаболизм (метаболизм) – основное свойство любой живой системы, с их остановкой прекращается жизнь. От скорости этих реакций зависят:

• баланс расхода энергии, поступающей с пищей;
• интенсивность кровообращения и состояние иммунной системы;
• гормональный фон.

Если произошло такое нарушение метаболизма, важно пройти обследование, исключить заболевания эндокринной системы, наследственную патологию. Важно помнить, что увеличить скорость обменных процессов в организме можно при правильном режиме питания, сна, бодрствования, двигательной активности.

Результатом проектирования должны стать таблицы, корректно и эффективно представляющие объекты и их взаимосвязи.

Реляционная БД считается корректной (согласованной) и эффективной , если обладает следующими характеристиками:

1) отсутствие избыточности;

2) согласованность, предотвращающая потери данных;

3) минимальное использование NULL-значений.

Схемой реляционной базы данных называется набор заголовков отношений, входящих в базу данных, и их связей. Схема содержит структурную и семантическую информацию.

Некую единую сводную таблицу, в которой представлены все необходимые данные о предметной области, называют универсальным отношением (генеральной или глобальной таблицей).

Подобная генеральная таблица может быть весьма неэффективной из-за двух основных изъянов разработки: избыточности и несогласованности. (да еще – NULL-значения …
…)

Использование универсального отношения, содержащего избыточные данные, может порождать три проблемы несогласованности, называемые аномалиями : аномалии вставки (включения), удаления и обновления (модификации).

Процесс упорядочения, структурирования представляемых данных называется нормализацией.

Недостатки глобальной таблицы (построенной на все случаи жизни):

— жесткость;

— ненадежность (потенциальная противоречивость);

— повышенный расход ресурсов;

— громоздкость (избыточность).

Под жесткостью понимается обязательная модификация самой таблицы при изменении постановки задачи.

Избыточность – необходимость хранения полной информации, например, названия фирмы в каждой записи о товаре.

Потенциальная противоречивость – необходимость изменять значение атрибута во всех записях, при ошибке программирования дорого обходится.

Аномалия включения – не может быть записей о поставщике, если он не поставил ни одного товара.

Аномалия удаления – при удалении всех товаров, поставляемых поставщиком, теряется его адрес и др.

Нормализация – это процесс проектирования, позволяющий гарантировать эффективность структур данных в реляционной БД. При проектировании данные разбиваются на несколько связанных таблиц, с соблюдением специальных требований нормализации.

Нормализация – практически — это разбиение таблицы на две или более, обладающих лучшими свойствами при включении, изменении и удалении данных. Окончательная цель нормализации сводится к получению такого проекта базы данных, в котором каждый факт появляется лишь в одном месте , т.е. исключена избыточность информации. Это делается не столько с целью экономии памяти, сколько для исключения возможной противоречивости (несогласованности) хранимых данных.

Основой процесса нормализации является предложенный Э.Коддом в рамках реляционной теории формальный аппарат, называемый нормализацией отношений .

Следует отметить, что процесс нормализации не имеет отношения к физическому размеще­нию данных. Речь идет только о пользователь­ском и глобальном логическом представлении данных

Процесс нормализации основан на понятии функциональной зависи­мости атрибутов.

Определение функциональной зависимости (ФЗ) .

А трибут В таблицы функционально зависит от атрибута А той же таблицы в том и только в том случае, когда в любой заданный момент времени для каждого из различных значений атрибута А обязательно существует только одно из различных значений атрибута В . Отметим, что атрибуты А и В могут быть единичными, так и составными.

Утверждение, что В функционально зависит от А , означает то же самое, что А однозначно определяет В ,т. е. если в какой-то момент времени известно значение А ,то можно получить и значение В.

Функциональная зависимость обозначается стрелкой А ® В .

Понятие ФЗ аналогично понятию функции в математике и отражает смысловую (семантическую) взаимосвязь соответствующих атрибутов сущности.

Различают следующие виды функциональных зависимостей : полная, частичная и транзитивная ФЗ.

Если неключевой атрибут зави­сит от всего составного ключа и не зависит от его частей, то говорят о полной функциональной зависимости атрибута от составного ключа.

Если неключевой атрибут зави­сит только от части составного ключа, то говорят о частичной функциональной зависимости атрибута от составного ключа.

Если атрибут В зависит от атрибута А, а С зависит от атрибута В, но обратная зависимость отсутствует, то говорят, что атрибут С зависит от А транзитивно.

Одни ФЗ отражают взаимосвязи в исследуемой предметной области, другие – могут порождаться структурой неграмотно сформированных отношений (таблиц). При неправильно сгруппированных отношениях некоторые ФЗ могут оказаться нежелательными из-за указанных аномалий, которые они вызывают при ведении (обновлении) БД.

Лекция 7. Определения и характеристики нормальных форм 1NF, 2NF, 3NF, BCNF. Понятие и виды денормализации.

Определение . Отношение находится в 1NF, если любые значения всех атрибутов являются атомарными и в отношении нет повторяющихся групп.

Очевидно, если произвольное отношение отвечает требованиям реляционной модели, оно соответственно удовлетворяет определению 1NF.

Определение . Отношение находится в 2NF, если оно соответствует 1NF и его неключевые атрибуты полностью зависят от всего первич­ного ключа.

Определение . Отношение находится в 3NF, если оно соответствует 2NF и не содержит транзитивных зависимостей.

Определение . Отношение находится в BCNF, если оно соответствует 3NF и если и только если любая функциональная зависимость между её полями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа.

Лекция 8. CASE-технологии проектирования БД. Проектирование с использованием метода сущность-связь.

Общие принципы организации катаболизма в организме

Источником свободной энергии в организмах гетеротрофов является распад питательных веществ, иначе говоря, катаболические процессы, протекающие в клетках и тканях. Катаболизм включает сотни химических реакций, десятки метаболических путей. В то же время в организации катаболических процессов прослеживается определенная логика.

Весь катаболизм питательных веществ в организме можно разделить на три этапа или, как принято называть, три фазы. В первой фазе происходит расщепление полимерных молекул на мономеры: белки расщепляются до аминокислот, олиго и полисахариды на моносахариды и их производные, липиды на высшие жирные кислоты, глицерол, аминоспирты и др. Следует заметить, что речь идет не только о расщеплении компонентов пищи в желудочнокишечном тракте, но и распаде биополимеров непосредственно в клетках. В этой фазе нет окислительных процессов, преобладают гидролиз и фосфоролиз. Выделение энергии не превышает 12% от её общего содержания в питательных веществах, причем вся энергия рассеивается в виде теплоты.

Однако в этой фазе происходит одно важное событие резкое уменьшение числа соединений, которые поступают затем во вторую фазу катаболизма. Так, с разнообразными пищевыми продуктами продуктами в желудочнокишечный тракт поступают миллионы различных белков и все они расщепляются до 2025 мономероваминокислот, а несколько сотен различных липидов при расщеплении дают полтора десятка различных высших жирных кислот и спиртов; несколько сотен различных олигосахаридов и полисахаридов при распаде дают, в свою очередь, полтора десятка моносахаридов и их производных. Таким образом, вместо миллионов различных соединений, вступающих в первую фазу, на выходе из нее образуется около 50 соединений.

Во второй фазе эти пять десятков соединений подвергаются дальнейшему расщеплению, так что на выходе из этой фазы остается всего пять соединений: ацетилКоА, сукцинилКоА, фумарат, оксалоацетат и 2оксоглутарат. Таким образом, продолжающееся во второй фазе расщепление питательных веществ сопровождается еще большей унификацией промежуточных продуктов. Катаболические процессы, идущие во второй фазе, носят смешанный характер, т.к. в ней идут и фосфоролиз, и лиазное расщепление, и тиолиз и окислительные реакции. Во второй фазе выделяется до 1/3 всей заключенной в питательных веществах энергии, причем часть ее аккумулируется. В этой фазе катаболизма образуются все азотсодержащие конечные продукты катаболизма, а также часть СО2 и Н2О.

Внутренняя логика такой организации катаболических процессов заключается в том, что по мере углубления распада питательных веществ количество промежуточных продуктов метаболизма уменьшается. Такой принцип построения катаболических процессов получил название принцип конвергенции.

Метаболические пути первой и второй фазы катаболизма обычно индивидуальны для отдельных соединений или групп родственных по структуре веществ одного класса. Поэтому метаболические пути первой и второй фазы катаболизма получили название специфических путей катаболизма. В то же время метаболические процессы третьей фазы катаболизма одинаковы вне зависимости от того, какое соединение расщепляется. В связи с этим метаболические пути третьей фазы получили название общих путей катаболизма.

Наличие общих метаболических путей в третьей фазе катаболизма, в которой выделяется 2/3 всей свободной энергии, повышает адаптационные возможности живых организмов, т.к. позволяет сравнительно легко переключаться с одного типа питательных веществ на другой. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе позволяет также уменьшить количество различных ферментов, необходимых клеткам и тканям для переработки разных питательных веществ. Все это помогает организмам в борьбе за выживание и является результатом длительной эволюции живых организмов.

При изучении обменных процессов мы в первую очередь и рассмотрим метаболические пути третьей фазы катаболизма: цикл трикарбоновых кислот Кребса и цепь дыхательных ферментов.

Все живые организмы с клеточным строением можно охарактеризовать как открытые системы . В процессе своей жизнедеятельности они должны постоянно обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Энергия необходима живым клеткам для биосинтеза сложных органических веществ, выполнения различных видов движения, размножения, осморегуляции, выведения продуктов обмена и т.д.

Существует такое предположение, что в процессе эволюции первыми появившимися на нашей планете организмами были такие, которые использовали в качестве источников энергии уже готовые органические вещества, накопленные в Мировом океане за счет абиогенного синтеза. Такие организмы называются гетеротрофными . В то время атмосфера Земли практически не содержала кислорода,
поэтому эти организмы могли получать энергию из органических веществ, используя различные окислительно-восстановительные реакции, и запасать ее в виде АТФ и НАДН. Эти реакции протекали в анаэробных (т.е. бескислородных) условиях. Для построения присущих им органических веществ они также использовали готовые органические вещества в качестве строительных блоков. Поэтому более строго их следует называть хемоорганотрофы — организмы, использующие в качестве источника углерода и электронов (восстановительных эквивалентов) готовые органические вещества и получающие энергию (АТФ) в окислительно-восстановительных реакциях. Позднее появились организмы, которые стали использовать солнечный свет в качестве источника энергии для синтеза АТФ (фотоорганотрофы ), а потом и углекислый газ, как источник углерода (фотолитотрофы ) — фотосинтезирующие бактерии, растения (низшие и высшие). Такие организмы часто называют фотосинтетиками , а фотолитотрофов называют автотрофами , подчеркивая, что они способны синтезировать органические вещества из неорганических (углекислого газа). Отдельную группу автотрофных организмов составляют хемосинтетики (хемолитотрофы ) — организмы, использующие для получения АТФ и восстановительных эквивалентов энергию, получаемую при окислении неорганических веществ.

Накопление в природе органического вещества в результате деятельности автотрофов стимулировало дальнейший расцвет его потребителей — гетеротрофов.В атмосфере стал появляться молекулярный кислород, являющийся мощнейшим окислителем. Кислород образовывался при фотосинтезе, как побочный продукт. Благодаря наличию кислорода появилась возможность более эффективно и полно использовать энергию, запасенную в органических веществах. Таким образом возникли аэробные организмы, способные полностью окислять сложные органические вещества до воды и углекислого газа с помощью кислорода. Однако, вплоть до настоящего времени сохранились и миксотрофные организмы, сочетающие свойства автотрофов, т.е. имеющих способность к фотосинтезу, и гетеротрофов, питающихся готовыми органическими веществами. К ним относятся, например, хламидомонада или эвглена зеленая.

Итак, для получения энергии живые организмы (как гетеротрофы, так и автотрофы — например, зеленые растения в темноте или их нефотосинтезирующие клетки) разлагают и окисляют органические соединения. Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ до более простых, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии в форме АТФ (универсального богатого энергией соединения), назвали энергетическим обменом (катаболизмом, или диссимиляцией).

Наряду с реакциями энергетического обмена в клетках постоянно протекают процессы, в которых синтезируются сложные органические вещества, присущие данному организму, низкомолекулярные (аминокислоты, сахара, витамины, органические кислоты, нуклеотиды, липиды) и биополимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты). Все эти вещества необходимы клетке для построения различных клеточных структур и выполнения разнообразных функций. Для синтеза этих веществ клетки используют углекислый газ, который получают из внешней среды (автотрофы), либо более сложные органические соединения (гетеротрофы), а также энергию и восстановительные эквиваленты, накопленные в процессе энергетического обмена. Совокупность биосинтетических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии (а часто и восстановительных эквивалентов), называют пластическим обменом (анаболизмом или ассимиляцией).

Энергетический и пластический обмен, протекающие в клетках, тесно взаимосвязаные процессы. Они происходят одновременно и постоянно. Так, многие промежуточные продукты, которые образуются в процессе реакций энергетического обмена, используются в реакциях биосинтеза в качестве исходных соединений. А энергия, запасенная в виде макроэргических связей АТФ в ходе диссимиляции, постоянно используется в процессах синтеза. Поэтому пластический и энергетический обмен нельзя рассматривать в отрыве друг от друга: это две стороны одного процесса — обмена веществ (метаболизма ), постоянно протекающего во всех живых системах и составляющего биохимическую основу жизни.

Витамин С (аскорбиновая кислота). Структура, суточная потребность, пищевые источники, авитаминоз. Участие в окислительно-восстановительных процессах, стероидогенезе и образовании коллагена. Реакции гидроксилирования пролина и лизина.

Аскорбиновая кислота - лактон кислоты, близкой по структуре к глюкозе. Существует в двух формах: восстановленной (АК) и окисленной (дегидроаскорбиновой кислотой, ДАК).

Обе эти формы аскорбиновой кислоты быстро и обратимо переходят друг в друга и в качестве коферментов участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Аскорбиновая кислота может окисляться кислородом воздуха, пероксидом и другими окислителями. ДАК легко восстанавливается цистеином, глутатионом, сероводородом. В слабощелочной среде происходят разрушение лактонового кольца и потеря биологической активности. При кулинарной обработке пищи в присутствии окислителей часть витамина С разрушается.

Источники витамина С - свежие фрукты, овощи, зелень, плоды шиповника, облепиха, смородина чёрная, лимоны, апельсины, яблоки.

Суточная потребность человека в витамине С составляет 50-75 мг.

Биологические функции. Главное свойство аскорбиновой кислоты - способность легко окисляться и восстанавливаться. Вместе с ДАК она образует в клетках окислительно-восстановительную пару с редокс-потенциалом +0,139 В. Благодаря этой способности аскорбиновая кислота участвует во многих реакциях гидроксилирования: остатков Про и Лиз при синтезе коллагена (основного белка соединительной ткани), при гидроксилировании дофамина, синтезе стероидных гормонов в коре надпочечников

В кишечнике аскорбиновая кислота восстанавливает Fe 3+ в Fe 2+ , способствуя его всасыванию, ускоряет освобождение железа из ферритина, способствует превращению фолата в коферментные формы. Аскорбиновую кислоту относят к природным антиоксидантам (см. раздел 8). Большое значение этой роли витамина С придавал известный американский учёный Л. Полинг, дважды лауреат Нобелевской премии. Он рекомендовал использовать для профилактики и лечения ряда заболеваний (например, простудных) большие дозы аскорбиновой кислоты (2-3 г).

Клинические проявления недостаточности витамина С. Недостаточность аскорбиновой кислоты приводит к заболеванию, называемому цингой (скорбут). Цинга, возникающая у человека при недостаточном содержании в пищевом рационе свежих фруктов и овощей, описана более 300 лет назад, со времени проведения длительных морских плаваний и северных экспедиций. Это заболевание связано с недостатком в пище витамина С. Болеют цингой только человек, приматы и морские свинки. Главные проявления авитаминоза обусловлены в основном нарушением образования коллагена в соединительной ткани. Вследствие этого наблюдают разрыхление дёсен, расшатывание зубов, нарушение целостности капилляров (сопровождающееся подкожными кровоизлияниями). Возникают отёки, боль в суставах, анемия. Анемия при цинге может быть связана с нарушением способности использовать запасы железа, а также с нарушениями метаболизма фолиевой кислоты.

18 Вопрос

Взаимосвязь обмена веществ и энергии. Экзергонические и эндергонические реакции в клетке. Типы макроэргических соединений (фосфатные, тиосульфатные). Строение АТФ, цикл АТФ/АДФ. Этапы унификации энергетических субстратов в организме: продукты, энергетическая ценность. Критические периоды развития ребенка и характеристика их обмена веществ.

Как было указано, обмен веществворганизмечеловека протекает не хаотично; он интегрирован и тонко настроен. Все превращения органическихвеществ, процессыанаболизмаикатаболизматесно связаны друг с другом. В частности, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. Ворганизмечеловека, как и в живой природе вообще, не существует самостоятельного обменабелков,жиров,углеводовинуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процессметаболизма. В настоящее время экспериментально обосновано существование четырех главных этапов распадамолекулуглеводов,белковижиров, которые интегрируют образование энергии из основных пищевых источников. На I этапеполисахаридырасщепляются домоносахаридов(обычногексоз);жирыраспадаются наглицеринивысшие жирные кислоты, абелки– на составляющие их свободныеаминокислоты. Следует подчеркнуть, что указанные процессы в основном являются гидролитическими, поэтому освобождающаяся в небольшом количестве энергия почти целиком используетсяорганизмамив качестве тепла.

На II этапе мономерные молекулы(гексозы,глицерин,жирные кислотыиаминокислоты) подвергаются дальнейшему распаду, в процессе которого образуются богатые энергией фосфатные соединения и ацетил-КоА. В частности, пригликолизегексозырасщепляются до пировиноград-нойкислотыи далее до ацетил-КоА. Этот процесс сопровождается образованием ограниченного числа богатых энергией фосфатных связей путем субстратногофосфорилирования. На этом этапевысшие жирные кислотыаналогично распадаются до ацетил-КоА, в то время какглицеринокисляется по гликолитическому пути допировиноградной кислотыи далее до ацетил-КоА. Дляаминокислотситуация на II этапе несколько отлична. При преимущественном использованииаминокислотв качестве источника энергии (при дефицитеуглеводовили присахарном диабете) некоторые из них непосредственно превращаются вметаболитылимоннокислого цикла (глутамат, аспартат), другие – опосредованно через глутамат(пролин,гистидин,аргинин), третьи – в пируват и далее в ацетил-КоА (аланин,серин,глицин,цистеин). Наконец, рядаминокислот, в частностилейцин, изо-лейцин, расщепляется до ацетил-КоА, а изфенилаланинаитирозина, помимо ацетил-КоА, образуется оксалоацетат черезфумаровую кислоту. Как видно, II этап можно назвать этапом образования ацетил-КоА, являющегося по существу единым (общим) промежуточным продуктомкатаболизмаосновных пищевыхвеществвклетках.

На III этапе ацетил-КоА (и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат) подвергаютсяокислению(«сгоранию») в цикле ди- и трикарбоновыхкислотКребса.Окислениесопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2.

На IV этапе осуществляется перенос электроновот восстановленныхнуклеотидовнакислород(черездыхательную цепь). Он сопровождается образованием конечного продукта –молекулыводы. Этот транспортэлектроновсопряжен ссинтезом АТФв процессе окислительного фосфо-рилирования. 3. Эндергонические и экзергонические реакции

Направление химической реакции определяется значением AG. Если эта величина отрица-

тельна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоничес-кими. Если при этом абсолютное значение AG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.

Если AG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эн-дергоническими.

Если абсолютное значение AG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При AG, равном нулю, система находится в равновесии (табл. 6-1).

4. Сопряжение экзергонических

и эндергонических процессов в организме

В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзер-гонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтри-

фосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора.

Рассмотрим подробнее энергетику сопряжённых реакций на примере фосфорилирования глюкозы.

Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:

(1) Глюкоза+ Н3РО4 → Глюкозо-6-фосфат + Н2О (ΔG = +13,8 кДж/моль).

Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.

(2) АТФ → АДФ + Н3РО4 (ΔG = -30,5 кДж/моль).

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой (см. раздел 7), фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции

сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима:

(3) Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ΔG = -16,7 кДж/моль).

Макроэргические соединения – органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией, или макроэргические связи. Эти соединения образуются в результате фото- и хемосинтеза и биологического окисления. К ним относятся, например, вещества, при гидролизе которых высвобождается энергии в 2-4 раза больше, чем при гидролизе других веществ. К макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), а также пирофосфат (H4P2O7), полифосфаты (полимеры метафосфорной кислоты - (НРО3)n * Н2О) и ряд других соединений. Самое важное макроэргическое соединение - АТФ. Используя энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, при действии ферментов, переносящих фосфатные группы, можно получить другие макроэргические соединения, например, ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ФЕП (фосфоенолпировиноградная кислота) и др. Образуется АТФ в процессах биологического окисления и при фотосинтезе. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, образованный аденозином и тремя остатками фосфорной кислоты. Во всех живых организмах выполняет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии. Под действием специальных ферментов концевые фосфатные группы отщепляются с освобождением энергии, которая идет на синтетические и другие процессы жизнедеятельности.

Аденозиндифосфат (АДФ) – нуклеотид, образованный аденозоном и двумя остатками фосфорной кислоты. Участвует в энергетическом обмене живых организмов. АДФ получает энергию путем дефосфорилирование фосфоэнолпировиноградной кислоты под действием фермента трансфосфорилазы, которая переносит макроэргическую связь с кислоты на АДФ. Уридиндифосфорная кислота (УДФ) и ее производные принимают участие во взаимопревращении углеводов. При биосинтезе гликозидной связи используется уридиндифосфатглюкоза (УДФГ), образующаяся из глюкозы‑1‑фосфата и уридинтрифосфата (УИФ). Если УДФГ передает глюкозу фруктозе, то образуется сахароза, а если цепочке декстрина – полисахарид. Аналогично образуются гликозиды, гликопротеиды и др. Взаимопревращение моносахаридов проходит через фосфорные эфиры сахаров или их уридиндифосфатпроизводные (УДФ-производные). УДФ-производные сахаров представляют собой тот или иной сахар, соединенный через два остатка фосфорной кислоты с уридином.

Сахарофосфаты являются источником фосфорного питания растений. Могут быть соли орто-, мета- и пирофосфорной кислоты и органические фосфаты. Лучшие из них – водорастворимые калиевые, натриевые, аммониевые, кальциевые и магниевые соли фосфорной кислоты.

Энергия макроэргических связей используется для совершения любой работы: активации соединений (например, глюкозы, чтобы могла начаться цепь ее окислительных превращений), синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), избирательного поглощения веществ из окружающей клетку среды и выброса из клетки ненужных продуктов, мышечного сокращения и восстановления активного состояния организма и т. д. Запас этих соединений позволяет организму быстро реагировать на изменение внешних условий и совершать физическую работу.

Цикл АТФ/АДФ.

АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоаншдридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Рi При этом изменение свободной энергии составляет -7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (рН 7,0, температура 37 °С), фактическое значение ΔG0" для процесса гидролиза составляет около -12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват

Рис. 6-2. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ две высокоэнергетические (макроэргические) связи β и γ, они обозначены на рисунке знаком ~ (тильда).

или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ - главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений (рис. 6-3). Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная "энергетическая валюта".

Унификация энергетических субстратов в клетке Основными субстратами биоокисления являются углеводы, жиры и белки, весьма различные по своему составу. Филогенетически в организме животных выработалась система постепенной унификации (или стандарти¬зации) энергетических субстратов, повышающая эффективность окисле¬ния. Условно можно выделить два этапа унификации энергетического "то¬плива" в клетках. На I этапе (переваривание в желудочно-кишечном тракте или распад в клетках) биополимеры расщепляются на свои структурные компоненты - мономеры, теряя при этом исходную специфичность строения. На II этапе (тканевой обмен) мономеры в основном превращаются в пи-ровиноградную кислоту и/или далее в активную форму уксусной кисло¬ты - ацетил-КоА, который и является универсальным энергетическим субстратом. Затем в цикле трикарбоновых кислот Кребса происходит окисление (дегидрирование) ацетил-КоА с образованием восстановленных кофермен-тов НАД-Н и ФАД-Н2. В мембранах митохондрий они включаются в ды¬хательную цепь, где в ходе окислительного фосфорилирования в присутст¬вии кислорода происходит синтез АТФ из АДФ и фосфата. На I и II этапах унификации субстратов окисления выделяется до 40 %, в дальнейшем - около 60 % энергии. В связи с этим именно цикл трикарбоновых кислот считается основным "энергетическим котлом" клетки. При полном окислении до СОг и НгО одного грамма углеводов и белков образуется около 4,1 ккал, жира - 9,3 ккал энергии.

Глава 5.

Элементы химической термодинамики

1. Организация химических реакций. Энергетические циклы

2. Основные положения термодинамики

3. Законы термодинамики

4. Введение в обмен веществ.Принципы организации метаболизма. Понятие о процесса катаболизма и анаболизма.

5. Иерархия метаболической регуляции

6. Энергетический обмен. Что такое биоэнергетика?

7. Протонный потенциал.

8. Структурные особенности АТФ. Роль макроэргов в обмене веществ.

9. Представление о биологическом окислении, его роль и виды, ферменты и коферменты этого процесса.Реакции синтеза АТФ. Окисление энергетических субстратов.Переносчики электронов и протонов. Генерирование протонного потенциала.Коэффициент окислительного фосфорилирования. Механизмы его регуляции.

10. Пути утилизации кислорода.

11. Синтез АТФ.

12. Общие пути метаболизма. Цикл трикарбоновых кислот его амфиболическая сущность.Энергетический обмен. Протонный потенциал.

Биологически важные макроэргические соединения. Представление о биологическом окислении. Роль биологического окисления.

13. Реакции окисления-восстановления. Пути утилизации кислорода: оксидазный и оксигеназный.

14. Синтез АТФ. Синтез АТФ путем субстратного и окислительного фосфорилирования.

Генерирование протонного потенциала. Синтез АТФ за счет протонного потенциала.

15. Ситуационные задачи, теоретические задания и лабораторно практические работы по теме «Биохимическая термодинамика».

16. Энергетический обмен и общий путь катаболизма.

Биохимическая термодинамика – раздел биохимии, который занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Её основополагающие принципы позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Небиологические системы могут совершать работу за счёт тепловой энергии, биологические же системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Жизнедеятельность организма определяют особенности организации биологических структур, обмена веществ и энергии, передачи генетической информации и механизмы регуляции.

Повреждение любого из этих звеньев приводит к развитию патологического процесса и заболеванию. Знание молекулярных механизмов жизнедеятельности и их нарушений – основа для поиска и применения в клинике препаратов различной биологической природы.

Организация химических реакций.

Цепи химических реакций образуют метаболические пути или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. Принято выделять центральные и специальные метаболические пути. Центральные циклы являются общими для распада и синтеза основных макромолекул. Они очень сходны у любых представителей живого мира. Специальные циклы характерны для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул, кофакторов и т.д.

Энергетические циклы.

Вследствие многообразия форм питания и потребления энергии живые организмы в природе тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь в питании и использовании источников энергии можно представить в виде своеобразных энергетических циклов живой природы.

Главные компоненты этого цикла:

Солнце - источник внеземной энергии,

Аутотрофы, улавливающие солнечную энергию и синтезирующие из СО 2 углеводы и прочие органические вещества

Гетеротрофы - животные организмы, потребляющие органические вещества и кислород, производимый растениями

Фототрофы – растения, производящие кислород в процессе фотосинтеза

Потери энергии, связанные с жизнедеятельностью всех организмов на Земле, возмещаются энергией Солнца. Следует подчеркнуть, что клетки животных и человека используют в качестве энергетического материала сильно восстановленные вещества (углеводы, липиды, белки), т.е. содержащие водород. Водород – энергетически ценное вещество. Его энергия переходит в энергию химических связей АТФ.

Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. Сложнейшая регуляция обмена веществ на разных уровнях обеспечивается работой множества ферментных систем, это – саморегуляция химических превращений.

Ферменты – это высокоспециализированные белки, которые синтезируются в клетке из простых строительных блоков – аминокислот. Обмен веществ осуществляется при участии нескольких сотен различных типов ферментов. Реакции, катализируемые ферментами, дают 100%-ный выход без образования побочных продуктов. Каждый фермент ускоряет лишь какую-то цепь реакций данного соединения, не влияя на другие реакции с его (соединением) участием. Поэтому в клетке возможно протекание множества реакций без опасности загрязнения клетки побочными продуктами. Сотни реакций в клетках при участии ферментов организованы в виде последовательно идущих друг за другом реакций – стационарного потока.

В ходе химических превращений происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, молекул и ионов и перераспределение сил химической связи, что приводит к выделению энергии (если итогом взаимодействия является упрочнение связей между атомами, ионами и молекулами), либо к поглощению (если эти связи становятся более слабыми). Поэтому для всех химических реакций характерны не только глубокие качественные изменения и строго определенные стехиометрические соотношения между количествами исходных и образующихся в результате реакции веществ, но и вполне определенные энергетические эффекты.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики.

Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО 2 , NН 3 , мочевина, креатинин).

Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.

Катаболизм.

Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.

1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.

Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.

2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.

Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию , которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.

Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию.Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.

На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.

На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.

На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.

Анаболизм.

Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.

2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.

3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.

Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.

В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.

Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.

Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Принципы интеграции метаболизма

Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.

Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.

При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.

Энергетический обмен

Биоэнергетика – это наука, изучающая энергообеспечение живых существ, иными слова­ми, превращение энергии внешних ресурсов в биологически полезную работу. Первым, этапом преобразования энергии является энергизация мембраны- это генери­рование трансмембраниой разности электрохимического потенциала ионов водорода или протонного потенциала (ΔμН +) и трансмембранной разности электрохимического потенциала натрия или натриевого потенциала (ΔμNа +).

Глава 6.

Представление о биологическом окислении

Биологическое окисление - это совокупность всех окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых организмах.

Пути утилизации кислорода

Кислород – сильный окислитель. Окислительно-восстановительный потенциал пары кислород/вода равен +0,82 в. Кислород обладает высоким сродством к электронам. Су­ществует два пути утилизации кислорода в организме: оксидазный и оксигеназный.

Окисление

Оксидазный путь Оксигеназный путь

полное неполное

Окисление окисление

конечный продукт моноокси- диокси- пероксидное

Геназный геназный окисление

Н 2 О Н 2 О 2 путь путь

R-OH HO-R-OH R-O-O-H

Оксидазный путь

В основе оксидазного пути утилизации кислорода лежит реакция дегидрирования, в ре­зультате которой происходит отщепление 2-х атомов водорода (2Н↔2Н + +2ē) от окисляе­мого субстрата с последующим переносом их на кислород.

Для полного восстановления кислорода до воды требуется две пары электронов

(4ē). Од­номоментно к ½ О 2 присоединяется 2 ē.

2ē ½О 2 + 2ē ОН -

RH 2 + ½O 2 R + H 2 O ОН - + 2Н + -- 2 Н 2 О

Для неполного восстановления кислорода до пероксида водорода требуется одна пара электронов (2 ē). Одномоментно присоединяется один электрон.

О 2 + ē О 2 - супероксиданионрадикал

О 2 + Н + НО 2 перекисный радикал

НО · 2 + ē НО 2 - перекисный ион

НО - 2 + Н + Н 2 О 2 пероксид водорода

Оксигеназный путь

В основе оксигеназного пути утилизации кислорода лежит непосредственное включение кислорода в окисляемый субстрат, с образованием соединений с одной или несколькими гидроксильными группами или органических соединений с пероксидной группой.

Монооксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в модифици­руемый субстрат только один атом кислорода, а второй атом кислорода восстанавливает­ся до воды в присутствии НАДФН+Н + как источника водорода.

RН 2 + О 2 + НАДФН+Н + → R-OH + НАДФ + + Н 2 О

Диоксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в субстрат двух атомов кислорода.

RH 2 + 2О 2 + НАДФН+Н + НО-R-OH + НАДФ +

Общие пути метаболизма.

Ацетил-КоАявляется центральным метаболитом превращения глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот.

ОН ОН

ТПФ – гидроксиэтил

На второй стадии происходит акцептирование ацильного остатка коферментом A (KoA-SH) и образование ацетил-КоА. Транслокация ацильного остатка катализируется вторым ферментом комплекса – дигидролипоилтрансацетилазой. Переносчиком ацильного остатка является простетическоя группа фермента – липоевая кислота

(витаминоподобное соединение), которая может находиться в двух формах: окисленной и восстановленной.

(Восстановленная форма)

На третьей стадии происходит окисление восстановленной формы липоевой кислоты. Акцептором двух атомов водорода является кофермент НАД + . Реакцию окисления ката­лизирует третий фермент - дигидролипоилдегидрогеназа, простетическойгруппой кото­рого является ФАД.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГ)

Образование ацетил-КоА из пирувата – необратимая реакция, так как ΔG = - 33,5 кДж/моль. Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: аллостерической регуляцией и путем обратимого фосфорилирования (ковалентная модификация). [АТФ] / [АДФ] и [НАД + ] / [НАДН] - важнейшие сигналы, отра­жающие энергетические потребности клетки. ПДГ активен в дефосфорилированной форме. Протеинкиназа ПДГ переводит фермент в неактивную фосфорилированную форму, а фосфатаза поддерживает ПДГ в активном дефосфорилированном состоянии. При насыщении клетки АТФ (повышается молярное от­ношение [АТФ] / [АДФ]) активируется протеинкиназа которая ингибирует ПДГ.

АТФ -это удаленный продукт реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. Кроме АТФ активируют протеинкиназу продукты реакции: ацетил-КоА и НАДН. При выработке избытка энергии система регуляции блокирует образование Ацетил-КоА и, как следст­вие, снижает скорость ЦТК и синтеза АТФ.

Рис.6-1. Регуляция активности протеинкиназы пируват декарбоксилазы путем

Цикл трикарбоновых кислот

Этот цикл называют также цикл Кребса, в честь Ганса Кребса (лауреата Нобелевской премии 1953 г.), определившего последовательность этих реакций. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – с одной стороны, является конечным этапом катаболизма белков, углево­дов и липидов, который сопровождается генерированием восстановленных коферментов – универсальных энергетических субстратов – ФАДН 2 , НАДФН+Н + . Восстановленные коферменты далее используются митохондриальной цепью переносчиков электронов для генерации АТФ из АДФ и Ф н. С другой стороны, промежуточные продукты ЦТК явля­ются субстратами для биосинтеза эндогенных белковых веществ, соединений углеводной и липидной природы и других соединений.

Катаболическая функция ЦТК.

ЦТК - это последовательность 8 реакций, в результате которых ацетил-КоА (активная ук­сусная кислота) окисляется до двух молекул СО 2 т.е. до конечного продукта метаболиз­ма.

Ацетил-КоА - двууглеродная ацильная группа, характеризуется очень прочной С-С-связью. Непосредственное расщепление С-С-связи в ацетил-КоА представляет собой трудную химическую задачу. В природе существует весьма распространенное решение подобных задач – это циклическое превращение. ЦТК начинается с реакции конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом(ОАА) с образованием цитрата(лимонной кислоты) и заканчивается образованием ОААпри окислении малата,т.е. цикл замыкается. Все фер­менты ЦТК локализуются в матриксе митохондрий и являются растворимыми белками. Исключением является сукцинат-дегидрогеназа, локализованная на поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Реакция конденсации.

Ацетил-КоА + ОАА+ Н 2 О→цитрат + KoA-SH

Реакцию катализирует регулируемый фермент – цитратсинтаза.Это необратимая энерго­зависимая реакция, так как ΔG= - 32,2 кДж/моль. Источником энергии в этой реакции является энергия разрыва тиоэфирной связи в молекуле ацетил-КоА.

Цитрат– трикарбоновая оксикислота. Гидроксильная группа располагается у третично­го атома С.По аналогия с третичными спиртами, цитрат не окисляется.

Реакция изомеризации.

В результате этой реакции происходит перемещение гидроксогруппы из 3-го во 2-е положение углеродной цепи цитрата и образование изомера лимонной кислоты - изоцитрата. Аконитаза – фермент, обладающий абсолютной стереоспецифичностью, катализирует после­довательное отщепление Н 2 О, а затем присоединение ее в другое положение.

Цитрат→аконитат → изоцитрат

Изоцитрат - изомер лимонной кислоты, у которой ОН-группа располагается у вторичного атома углерода. По аналогии с вторичными спиртами изоцитрат может подвергаться окислению с образованием кетокислоты.

Реакция окисления.

Сукцинат фумарат

ФАД ФАДН 2

Реакция катализируется ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназой.Фермент обладает абсолютной стереоспецифичностью. Продуктом реакции является фумарат (транс-изомер). Восстановленный кофермент ФАДН 2 снабжающий дыхательную цепь 2Н + и 2ē для генерации АТФ

Реакция гидратации

Фумарат +Н 2 О → малат

Присоединение воды к фумарату катализируется фумаразой(традиционное название фермента). Продукт реакции – гидроксикислота - малат(яблочная кислота).

Реакция окисления.

Малат ОАА

НАД + НАДН+Н +

Реакция катализируется малатдегидрогеназой НАД + -- зависимой.

ОАА включается в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-КоА, т.е. ЦТК за­мыкается. Восстановленный кофермент НАДН+Н + снабжает дыхательную цепь 2Н + и 2ē и участвует в процессе окислительного фосфорилирования.

Стехиометрия ЦТК.

СН 3 -СО-S-KoA + 2Н 2 О +ЗНАД + + ФАД + ГДФ + Н 3 РО 4 →2СО 2 + 3НАДН+ЗН + +ФАДН 2 , +ГТФ + KoA-SH, ΔG=-40,0 кДж/моль

Таким образом, в результате одного оборота цикла от ацетил-КоА отщепляется KoA-SH, а ацетильный остаток расщепляется до 2-х молекул СО 2 . Этот метаболический процесс сопровождается:

Образованием 4-х восстановленных коферментов: 3-х молекул НАДН +Н + и 1 молекулы ФАДН 2 ;

ГТФ + АДФ→ГДФ +АТФ

Энергетический эффект ЦТК.

За счет окислительного фосфорилировапия:

3НАДН + Н + → (6Н + и 6ē) ЦПЭ → 3 х ЗАТФ = 9 АТФ

ФАДН 2 → 2Н + и 2ē → ЦПЭ → 2АТФ .

За счет субстратного фосфорилирования – 1 АТФ

Итого: при окислении 1 молекулы Ацетил-КоА, при условии сопряжения реакций окис­ления с окислительным фосфорилированием генерируется 12 молекул АТФ.

Анаболическая функция ЦТК.

ЦТК служит источником интермедиатов (промежуточных метаболитов), которые яв­ляются субстратами многих биосинтетических реакций.

1. Сукцинил-КоА является субстратом для биосинтеза порфиринов. Внедрение в пор-фирин катиона железа приводит к образованию гема– простетической группы гемопротеидов (ге­моглобина, миоглобина, каталазы, цитохромов и др.).

2. Цитрат может с помощью белков-переносчиков транспортироваться из матрикса митохондрий в цитоплазму, где при действии фермента цитратлиазы расщепляться с образованием цитозольного ацетил-КоА - субстрата для синтеза холестерина, ВЖК.

Цитрат + АТФ + КоА → ОАА + Ацетил-КоА + АДФ + Н 3 РО 4 .

З. ОАА - с помощью малат-аспартатного челночного механизма транспортируется из матрикса митохондрий в цитоплазму, где в реакции трансаминирования превращается в аспартат. , в свою очередь, может трансформироваться в другие аминокислоты и участвовать в биосинтезе белка. Аспартат используется и в синтезе азотистых оснований и, таким образом, участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот. ОАА (оксал-ацетат) в цитоплазме может подвергаться декарбоксилированию при действии фосфоенолпируваткарбоксикиназы в присутствии ГТФ с образованием ФЕП- промежуточного метаболита участвующего в синтезе глюкозы (в глюконеогенезе).

4. α-Кетоглутарат поступает в цитоплазму, где превращается в глутамин, пролин, гистидин, аргинин, которые далее включаются в синтез белковых веществ и других биологически важных соединений. Таким образом, ЦТК – это амфиболический цикл.

Протонный потенциал.

Трансмембранная разность электрохимического потенциала иона водорода, ΔμН + или протонный потенциал занимает центральное положение в системе процессов трансфор­мации энергии, протекающий во внутренней мембране митохондрий. За счет энергии внешних ресурсов протоны транспортируются через биологическую мембрану против сил электрического поля в направлении большей их концентрации, в результате гене­рируется разность электрохимического потенциала. ΔμН + состоит из 2-х компонентов: электрического в форме трансмембранного градиента электрических потенциалов (Δφ) и химического, в форме трансмембранной концентрации ионов водорода (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Потенциальная энергия, накопленная в виде Δφ и ΔрН, может быть утилизирована полезным образом, в частности, в синтезе АТФ.

Роль АТФ в обмене веществ

В биологических системах АТФ постоянно образуется и постоянно потребляется. Оборот АТФ очень высок. Например, человек в покое расходует около 40 кг АТФ в сутки. Энер­гопотребляющие процессы могут осуществляться при условии постоянного регенериро­вания АТФ из АДФ. Таким образом, цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энер­гии в биологических системах.

Синтез АТФ

Реакция синтеза АТФ – это реакция фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Рис. 6-1).

АДФ + Н 3 РО 4 → АТФ + Н 2 О.

Это эндергоническая реакция, которая протекает только при посту­плении свободной энергии извне, так как ΔG = + 30,5 кДж/моль

(+ 7.3 ккал/ моль). Сле­довательно, синтез АТФ может протекать лишь при условии энергетического сопряже­ния с экзергоническими реакциями. В зависимости от источника свободной энергии су­ществует два пути синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование иокислительное фосфорилирование.

СООН СООН

ΔG= - 61,9 кДж/моль (- 14,8 ккал/моль).

Путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты, богатой энергией, с этих макроэргических соединений на АДФ и синтезируется АТФ.

ΣФЕП +АДФ→ПВК +АТФ

К макроэргическим соединениям относятся и соединения с тиоэфирными связями. На­пример, сукцинил~S-KoA. При разрыве тиоэфирной связи высвобождается энергия, ко­торая используется на синтез ГТФ (ГДФ+Н 3 РО 4 → ГТФ + Н 2 О). Сукцинил~S-KoA + ГДФ +Н 3 РО 4 → Сукцинат + ГТФ + HS~КоА, ΔG=-35.5 кДж/моль.

Типы переносчиков

ФМН + 2Н + + 2ē ↔ ФМНН 2

Железо-серные центры

Это белковые негемовые железосодержащие переносчики электронов. Имеются несколько типов железо-серных центров: Fe-S,Fe 2 -S 2 , Fe 4 -S 4 . Атомы железа комплексов мо­гут отдавать и принимать электроны, поочередно переходя в ферро-(Fe 2+) - и ферри-(Fe 3+) - состояния. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, кофермент-Q(KoQ) – единственный небелковый переносчик электронов.

КоQ (хинон) КоQ (семихинон) КоQН 2 (гидрохинон)

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон – органический свободный радикал. Е о =+0,01

Цитохромы – белковые переносчики электронов, в качестве простетической группы, со­держащие гемовое железо. В основе функционирования цитохромов лежит изменение степени окисления атома железа Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+ . Различные цитохромы обозначаются буквенными индексами: b, с 1 , с, a, a 3 . Отличаются цитохромы по структуре белковой части и боковых цепей гема, в связи с этим они имеют и различные величины редокс-потенциалов (окислительно-восстановительных потенциалов). Цитохром «b» Е о = +0,08 , «c i » Е о =+0,22, «с» Е о = +0,25, «аа з » Е о = +0,29. Отличительной особенностью цитохрома с является то,что он непрочно связан с внешней поверхностью внутренней мембраны митохондрий и легко по­кидает её.

Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных ком­плекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий, представляющие со­бой ферментативный ансамбль,получивший название «дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса электронов).

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Комплекс III – КоQН 2 -дегидрогеназа (KoQH 2 -цит.с-редуктаза). Простетические группы: FeS, цитохромы b 1 , b 2 , с 1 . Акцептор электронов – цитохром - с.

Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы аа з, Си 2+ . Ак­цептор электронов– кислород.

Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Между комплексами электроны транспортируются при помощи подвижных переносчиков - убихинона и цитохрома-с.

Окислительно-восстановительные переносчики в ЦПЭ расположены в порядке увели­чения стандартных окислительных потенциалов, что обеспечивает самопроизвольный транспорт двух электронов по дыхательной цепи от НАДН+Н + к кислороду - конечно­му акцептору электронов. Перенос двух электронов по ЦПЭ является полезной ра­ботой и сопровождается поэтапным высвобождением свободной энергии Гиббса (ΔG), которая далее используется в синтезе АТФ.Поэтапное высвобождение энергии приводит к тому, что электроны, которые восстанавливают кислород, находятся на более низком энергетическом уровне, по сравнению с электронами, находящимися в вос­становленном НАДН +Н + в начале цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμН +

Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в энергию химиче­ских связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский ученый Питер Мит­челл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH + . ΔμH + . = Δ рН+ Δ φ

рН - градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году

П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала общепризнанной.

По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н + из матрикса митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации протонов - ΔрН и приво­дит к возникновению отрицательного заряда на поверхности мембраны со стороны мат­рикса и положительного заряда со стороны межмембранного пространства, при этом соз­дается разность электрических потенциалов – Δφ. Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н + , ФАДН 2 , вода. Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:

1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и, особенно, для протонов.

2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это обеспечи­вается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и электронов и протонов одновременно.

4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала