2. Основные вопросы темы.

1. Понятие об обмене веществ. Анаболические и катаболические процессы и их взаимосвязь.

Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную клеточную активность, обеспеченную участием многих взаимосвязанных ферментативных систем, и включает два неразрывных процесса анаболизм и катаболизм. 

Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из простых молекул. Поскольку он сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до простых конечных продуктов. Это сопровождается высвобождением энергии, заключенной в химических связях веществ. Большая часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть используется для синтеза АТФ.

2. Макроэргические соединения. АТФ – универсальный аккумулятор и источник энергии в организме. Цикл АТФ-АДФ. Энергетический заряд клетки.

Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде макроэргических связей, при гидролизе каждой из которых выделяется 20 и более кдж/моль энергии. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ.

Молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют.

Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная «энергетическая валюта».

Каждая клетка обладает электрическим зарядом, который равен

[АТФ] + ½[АДФ]

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Если заряд клетки равен 0,8-0,9, то в клетке весь адениловый фонд представлен в виде АТФ (клетка насыщена энергией и процесс синтеза АТФ не происходит).

По мере использования энергии, АТФ превращается в АДФ, заряд клетки становится равным 0, автоматически начинается синтез АТФ.

Способы синтеза АТФ

Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование, протекающее во внутренней мембране митохондрий ( дыхательной цепи).

Другой способ – субстратное фосфорилирование. Он связан с передачей макроэргического фосфата на АДФ.

РОЛЬ АТФ

Энергия АТФ используется для совершения различных видов работ в организме:

- механической (мышечное сокращение);

- электрической (проведение нервного импульса);

- химической (синтез веществ);

- осмотической (активный транспорт веществ через мембрану).

3. Этапы катаболизма. Биологическое окисление (тканевое дыхание). Особенности биологического окисления.

Обмен веществ состоит из 4 этапов.

I

Освобождается 1% энергии

этап – расщепление в желудочно-кишечном тракте белков, жиров и углеводов до мономеров (аминокислот, высших жирных кислот и глицерина, моносахаридов). В процессе пищеварения теряется видовая специфичность питательных веществ.

I

Освобождается 20-30% энергии

I этап – внутриклеточный катаболизм- глюкоза, высшие жирные кислоты, аминокислоты подвергаются специфическим превращениям до образования ацетил-КоА (гликолиз, β-окисление высших жирных кислот, трансаминирование аминокислот и др.)- процессы протекают в цитоплазме.

III этап – общий путь катаболизма – цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);

т

70-80% энергии

ерминальная фаза окисления- тканевое дыхание, ЦПЭ- цепь переноса электронов (дыхательная цепь).

Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевым дыханием, а цепь переноса электронов (ЦПЭ) – дыхательной цепью.

Особенности биологического окисления:

1. Протекает при температуре тела;

2. В присутствии Н₂О;

3. Протекает постепенно через многочисленные стадии с участием ферментов-переносчиков, которые снижают энергию активации, происходит уменьшение свободной энергии, в результате чего энергия выделяется порциями. Поэтому окисление не сопровождается повышением температуры и не приводит к взрыву.

Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.

Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нем участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего переносчика и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление О₂ и синтез Н₂О.

4. Первичные акцепторы протонов водорода и электронов.

Никотинзависимые дегидрогеназы, содержащие в качестве коферментов НАД⁺ или НАДФ⁺ . НАД⁺ и НАДФ⁺ - производные витамина РР. Субстраты, от которых происходит отщепление (дегидрирование) протонов Н⁺ и ē на НАД- и НАДФ- зависимые дегидрогеназы находятся в цитоплазме и в матриксе митохондрий. Рабочей частью НАД и НАДФ служит никотинамид (вит. РР). В окисленной форме никотинамидные коферменты обозначают как НАД⁺ или НАДФ⁺ , так как они несут положительный заряд на атоме азоте пиридинового кольца. В реакциях дегидрирования из двух атомов водорода, отщепляемых от окисляемого субстрата, никотинамидное кольцо присоединяет ион водорода и два электрона, второй ион водорода переходит в среду.

+

..

+ Н⁺

НАД⁺

НАДН + Н⁺

НАД⁺, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ.

Субстратами, отдающими протоны Н⁺ и электроны на НАД-зависимые дегидрогеназы, являются: изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, ПВК, глутаминовая кислота (глутамат) и др.

НАДФН не является непосредственным донором ЦПЭ, а используется исключительно в восстановительных биосинтезах.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве простетических групп ФАД или ФМН. Рабочей частью ФАД и ФМН является витамин В₂, к которому присоединяются от окисляемого субстрата два протона Н⁺ и два электрона.

ФАД⁺

ФАДН₂

Большинство ФАД-зависимых дегидрогеназ – растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Они являются акцепторами протонов Н⁺ и электронов от субстратов: ацил-КоА, глицерол-3-фосфат и др.

Исключение составляет сукцинат-фумарат дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. Это II комплекс в ЦПЭ. Она является акцептором протонов Н⁺ и электронов от субстрата – янтарная кислота (сукцинат).

5. Организация дыхательной цепи. Переносчики в дыхательной цепи (ЦПЭ).

Организация дыхательной цепи

По современным представлениям внутренняя мембрана митохондрий содержит 5 мультиферментных комплексов, включающих множество дыхательных ферментов. Последовательность их расположения – дыхательная цепь.

Компоненты комплексов расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов). Его величина связана с изменением свободной энергии. Её выражают в вольтах.

Принцип работы дыхательной цепи

1.Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают протоны водорода Н+ и электроны (ē) на ферменты дыхательной цепи.

2. ē движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

4. В конце дыхательной цепи ē попадают на О2 и восстанавливают его до Н2О.

5. Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу (V комплекс).

6. При этом Н+ теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Переносчики в дыхательной цепи

I комплекс – НАДН-дегидрогеназа

В комплекс входят две группы: ФМН и FeS (железо-серные белки).

На ФМН комплекса протоны Н+ и 2ē от субстратов передают НАД-зависимые дегидрогеназы, находящиеся в матриксе, с образованием ФМНН2. ФМНН2 ē и протоны транспортируют на FeS, затем на кофермент Q (убихинон). Одновременно с комплекса протоны Н+ переносятся в межмембранное пространство (ММП).

II комплекс - ФАД- зависимые дегидрогеназы.

Состоит из ФАД и FeS. На ФАД ē и протоны отщепляются от субстратов окисления ФАД. ФАД восстанавливается в ФАДН2. С ФАДН2 они передаются на FeS, с FeS – на убихинон.

Убихинон – или кофермент Q. Это небелковый переносчик. Структура КоQ сходна с витаминами К, Е.

Молекулы Q в организме человека содержат 10 изопреноидных звеньев и обозначаются - Q10.

Убихинон является коллектором всех ē, поступающих в митохондрии от разных субстратов и передает их на III комплекс.

Цитохромы

Обнаружены в 1886г. Мак-Мунном, исследованы в 1925г. Девидом Кейлином.

Цитохромы (Ц)- это сложные белки-гемопротеины, которые в качестве простетической группы содержат гем

Известно около 30 различных Ц.

Цитохромы имеют особенности:

Железо в Ц способно изменять свою степень окисления, поэтому Ц в ЦПЭ транспортируют только ē.

Fe3+ +ē Fe2+

-ē

В транспорте двух ē принимают участие две молекулы каждого вида цитохромов, так как одна молекула может переносить только один ē.