18

Введение в метаболизм.

Основы биоэнергетики.

Наумов АВ

1 Метаболизм или обмен веществ.

2 Анаболизм

3 Катаболизм

4 Методы исследования обмена веществ

5 Аденозинтрифосфат

6 Способы получения энергии в клетке

7. Два способа синтеза АТФ

7. Пируват окисляется до ацетил-КоА.

7. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

10 Цикл трикарбоновых кислот

11 Регуляция цикла трикарбоновых кислот.

Часть 1.

Метаболизм или обмен веществ.

Метаболизм – это совокупность химических реакций, протекающих в организме. При этом процессы, происходящие в просвете желудочно-кишечного тракта, не входят в понятие метаболизма, поскольку полость желудочно-кишечного тракта рассматривается как часть внешней среды.

Метаболизм или обмен веществ представляет из себя сумму всех химических преобразований с участием ферментов, происходящих в клетках организма. Серия таких последовательных реакций представляет из себяметаболический путьпревращений.

Предшественник (субстрат) превращается впродуктпроходя ряд промежуточныхметаболических интермедиатов, называемыхметаболитами.

Термин промежуточный обмен веществподразумевает комбинацию активностей всех совместно протекающих метаболических путей и превращения веществ в организме с момента поступления их в клетки до образования конечных продуктов обмена

Метаболических процессы в организме могут быть катаболическими и анаболическими.

Катаболизм- это фаза распада в обменене веществ в которой органические молекулы питательных веществ (углеводы, жиры и белки) превращаются в небольшиеконечные продукты обмена. Катаболизм продуцирует энергию, часть которой запасается в видеАТФлибо в виде восстановленных переносчиков электронов (НАДН*, НАДФН*иФАДН₂), при этом часть энергии теряется в видетепла.

Анаболизмэто биосинтез высокомолекулярных молекул и комплексов молекул (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды) из низкомолекулярных предшественников. Для протекания анаболических реакций требуется энергия, обычно в виде переноса фосфатных группАТФлибо восстановительного потенциалаНАДФН*.

Некоторые метаболические пути имеют циклическийхарактер: из двух субстратов, вступающих в серию реакций, один полностью восстанавливается для нового цикла реакций, другой превращается в продукт. Например,щавелевоуксусная кислота(ЩУК, оксалацетат) постоянно обновляется для работыцикла тикарбоновых кислот(ЦТК).

Три типа нелинейных путей обмена веществ. а) нисходящий, катаболический; б) разветвлённый анаболический и с) циклический.

Клетки организма поддерживают и анаболические и катаболические пути обмена. Особенности регуляции процессов состоят в том, что при активации катаболизма, происходит подавление анаболизма, и наоборот. К тому же они имеют одни и теже конечные продукты, например: гликолиз и глюконеогенез

Глюкоза → пируват(катаболизм глюкозы)

Пируват → глюкоза(анаболизм глюкозы)

Метаболические пути имеют несколько уровней регуляции:

• Наиболее лабильный – концентрацияибиодоступностьсубстрата. В ределахK_m скорость реакции строго зависит от концентрации субстрата.

• Аллостерическая регуляция (обычно продуктами реакции),

• Ковалентная модификацияфермента(фосфорилирование, ацетилирование, метилирование и проч.).

• Изменение экспрессии генов фермента (Это длительный тип регуляции занимает от нескольких минут до часов).

• метаболические пути часто в клетке имеют органельную локализацию (компартментализация). Например, распад жирных кислот протекает в митохондриях, синтез – в цитоплазме.

Метаболизм выполняет три специализированные функции:

1. Энергетическая – снабжение клетки химической энергией,

2. Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков,

3. Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Методы исследования обмена веществ.

В современных биохимических исследованиях широко используют такие методы как хроматография,рентгеноструктурный анализ,ЯМР-спектроскопия,электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия. Методы изучения процессов метаболизма можно подразделить на две основные группы:

• методы изучения метаболизма на целых организмахи

• аналитически-дезинтегрирующиеметоды.

Изучение процессов метаболизма на целом организме. Ранее использовали определениеконцентрации выделения конечного продуктапри введении предполагаемыхпромежуточных метаболитов. Например, в опытах на животных с экспериментальным диабетом, было установлено, что введение таких аминокислот, какAla, Ser, Glu, вызывает еще более усиленное выведение глюкозы с мочой. На этом основании было сделано заключение, что эти аминокислоты могут служить метаболическими предшественниками глюкозы. В настоящее время с этой целью применяютсяизотопы(меченые атомы).

Обычно используются либо:

• стабильные изотопы элементов, отличающихся по массе от широко распространенных в организме элементов (тяжелые изотопы). Из них чаще используют

  • изотопы водородас массой 2 (дейтерий, ²Н),

  • азотс массой 15 (¹⁵N),

  • углеродс массой 13 (¹³С) и

  • кислородс массой 18 (¹⁸0);

• радиоактивные изотопы. Из радиоактивных изотопов применяются:

  • изотопы водорода(тритий, ³Н),

  • фосфора(³²Ри³³Р),

  • углерода(¹⁴С),

  • серы(³⁵S),

  • йода(¹²⁵I),

  • железа(⁵⁹Fe),

  • натрия(²⁴Na) и др.

Радионуклид	Период полураспада
^3H (тритий)	12.43 года
^14C	5730 лет
^32P	14.3 дней
^33P	25.4 дней
^35S	87.4 дней
^125I	60 дней

Пометив при помощи стабильного или радиоактивного изотопа молекулу исследуемого соединения и введя его в организм, определяют затем меченые атомы или содержащие их химические группы в определенных соединениях и делают заключение о путях превращениямеченого вещества в организме.

С помощью изотопного методаможно установить:

• локализации, места накопления и пути транспорта иследуемых веществ;

• время пребываниявещества в организме, которое характеризуетпериод его полураспада,т. е. время, за которое количество изотопа или меченого соединения уменьшается вдвое,

• получить точные сведения относительно проницаемости мембран;

• изучать процессы синтеза полимеров (скорость, локализацию, участие субстратов) (белков);

• изучать пути метаболизма, чтобы установить, является ли данное вещество предшественником или продуктом распада другого соединения.

• Наконец, при существовании нескольких путей обмена веществ можно определить, какой из них превалирует.

Аналитически-дезинтегрирующиеметоды. Принцип этих методов состоит в поэтапном упрощении, сложной биологической системы с целью изолирования отдельных ее частей. В нисходящей последовательности, их можно расположить в следующем порядке:

• удаление отдельных органов (в частности, путем изучения перфузата в опытах с изолированными органами было установлено, что печень служит главным местом образования кетоновых тел и мочевины);

• метод тканевых срезов и клеточных культур (с помощью такой методики на аппарате Варбурга было изучено тканевое дыхание (потребление кислорода и выделение углекислого газа тканями);

• получение гомогенатов и субклеточных фракций (разрушение клеточных мембран делает возможным непосредственный контакт между содержимым клетки и добавленными соединениями. Это дает возможность установить, какие ферменты, коферменты и субстраты имеют значение для исследуемого процесса. Применение метода дифференциального центрифугирования гомогенатов позволяет изучать процессы обмена веществ, связанные с различными органеллами клетки (митохондриями, лизосомами, рибосомами, ядром и др. Например, для изучения путей и механизмов синтеза белка используют изолированные рибосомы, а для исследования окислительных реакций цикла Кребса или цепи дыхательных ферментов служат митохондрии),

• частичная или полная реконструкция ферментной системы in vitroс использованием ферментов, коферментов и других компонентов реакции.