МЕТАБОЛИЗМ. БИОЭНЕРГЕТИКА Метаболизм (обмен веществ) совокупность превращений веществ,

МЕТАБОЛИЗМ. БИОЭНЕРГЕТИКА

Метаболизм (обмен веществ) совокупность превращений веществ, начиная с их поступления в организм до образования конечных продуктов (СО2, Н2О и NH3). Внешний метаболизм (внеклеточный) – включает превращения веществ на путях их поступления и выделения из организма. Промежуточный метаболизм (внутриклеточный).

Функции метаболизма Обеспечение организма доступной энергией в виде макроэргических соединений. Расщепление макромолекул на «строительные блоки» для синтеза необходимых организму веществ. Синтез необходимых веществ (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот). Синтез и расщепление специализированных биологически активных веществ (гормонов, биогенных аминов).

Метаболические пути Метаболизм состоит из метаболических реакций и метаболических путей. Метаболический путь – последовательность химических реакций, в ходе которых субстрат превращается в конечный продукт. Каждая реакция метаболического пути катализируется отдельным ферментом.

Метаболические пути Центральные – общие для синтеза и расщепления основных классов веществ (белков, углеводов, липидов). Специфические – характерные для синтеза и расщепления индивидуального вещества (гормон, биогенный амин).

Метаболические пути Линейные. Примеры: гликолиз, глюконеогенез. Циклические. Примеры: цикл Кребса, синтез мочевины. Разветвленные. Примеры: синтез триглицеридов и фосфолипидов, синтез холестерола и кетоновых тел.

Фазы метаболизма Катаболизм – расщепление сложных веществ до простых конечных продуктов (СО2, Н2О и NH3). Катаболические процессы сопровождаются выделением энергии (экзергонические процессы). Анаболизм – синтез сложных веществ из простых веществ. В анаболических процессах используется энергия (эндергонические процессы).

Этапы катаболизма I этап – расщепление полимеров до мономеров, протекает в ЖКТ, не сопровождается образованием полезной энергии. II этап – расщепление мономеров до общего метаболита – ацетил-СоА. Образуется ≈20% энергии. III этап – расщепление ацетил-СоА до конечных продуктов (СО2 и Н2О). Включает цикл Кребса, дыхательную цепь и окислительное фосфорилирование. Образуется ≈80% энергии.

Аминокислоты H2O NH3 Белки Ацетил-КоА Пируват Глюкоза Глицерол + Жирные кислоты Полисахариды Липиды H O2 цикл Кребса Дыхательная цепь АТФ АДФ + Н3РО4 СO2 Окислительное фосфорилирование

Анаболизм протекает в обратном направлении катаболизму с определенными особенностями:

Законы термодинамики I закон – закон сохранения энергии; общая энергия системы и окружающей среды – величина постоянная. II закон – все процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую форму.

Термодинамические системы Биологические системы являются открытыми термодинамическими системами – обмениваются с внешней средой и материей, и энергией.

Свободная энергия Каждая термодинамическая система обладает определенной внутренней энергией (∆Е), которая состоит из свободной и связанной энергии. Свободная энергия (∆G) – та часть энергии системы, которая может быть использована для совершения работы при постоянной температуре и давлении.

Свободная энергия Связанная энергия (Т∆S) – та часть энергии системы, которая не может быть использована для совершения работы: Т – абсолютная температура; ∆S – энтропия. ∆Е = ∆G + Т∆S Стандартная свободная энергия – ∆G0´ Стандартные условия: t = 25ºС; рН = 7; концентрация – 1 моль/л.

Свободная энергия Значение ∆G определяет направление химической реакции. ∆G ˂ 0. Реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии – экзергонические реакции. ∆G ˃ 0. Реакция нуждается в поступлении свободной энергии извне – эндергонические реакции. ∆G = 0. Реакция находится в состоянии равновесия.

Reactant Reactant Product Product Exergonic Endergonic Energy is released. Energy must be supplied. Energy supplied Energy released Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Эндергонические и экзергонические реакции

Макроэргические соединения химические соединения, содержащие химические связи, при расщеплении которых выделяется ≥ 5 ккал/моль энергии. Связи называются макроэргическими и обозначаются ~. Макроэргические вещества выполняют функцию энергетических посредников (переносчики энергии от катаболических к анаболическим процессам).

Макроэргические соединения

АТФ – главный энергетический посредник

Варианты гидролиза АТФ АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4; -7,3 ккал/моль а) АТФ + Н2О → АМФ + Н4Р2О7; -7,3 ккал/моль b) Н4Р2О7 + Н2О → 2 Н3РО4; -7,6 ккал/моль -14,9 ккал/моль

Механизмы синтеза АТФ Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи. АДФ + Н3РО4 → АТФ 2. Субстратное фосфорилирование – синтез АТФ за счет энергии гидролиза супермакроэргических соединений.

Цикл АТФ Катаболизм, -∆G Анаболизм, +∆G АДФ + Н3РО4 АТФ

Энергетическое состояние клетки характеризует «заполнение» клетки макроэргическими связями (энергией). Показатели энергетического состояния: Энергетический заряд: [ATP]+1/2[ADP] [ATP]+[ADP]+[AMP] N – 0,8-0,95 Потенциал фосфорилирования: [ATP]/[ADP]*[Pa] N - 500

Регуляция внутриклеточного метаболизмя Регуляция энергетическим состоянием клетки. АТФ ингибирует катаболические процессы, но активирует анаболические процессы. АМФ, АДФ ингибируют анаболические процессы, но активируют катаболические процессы.

Регуляция внутриклеточного метаболизма 2. Аллостерическая регуляция 3. Ковалентная регуляция 4. Индукция и репрессия

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты Происходит в матриксе митохондрий. Суммарная реакция процесса: CH3-CO-COOH CH3-CO-SCoA NAD+ HS-CoA CO2 NADH+H+ Пиуват Ацетил-СоА

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты Происходит с участием пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК), состоящего из 3-х ферментов и 5 кофакторов. Е1 – пируват дегидрогеназа Е2 – дигтдролипоилацетил трансфераза Е3 – дигидролипоил дегидрогеназа В состав комплекса входят и 2 регуляторных фермента – киназа и фосфопротеинфосфатаза, участвующие в ковалентной модификации Е1.

Кофакторы пируватдегидрогеназного комплекса: Е1 – ТРР (тиамин, витамин В1) Е2 – липоевая кислота Е3 – ФАД (рибофлавин, витамин В2) NAD+ (никотинамид, витамин РР) HS-CoA (пантотеновая кислота)

Этапы окислительного декарбоксилирования пирувата протекает в 5 этапов 1. 2. Е1–ТРР-СН(ОН)-СН3 CH3-CO-COOH + → Е1–ТРР + СО2 → Е1–ТРР-СН(ОН)-СН3 + S Е2-ЛК S → → SН Е2-ЛК S-СО-СН3 + Е1–ТРР

Этапы окислительного декарбоксилирования пирувата 3. + → → + SH Е2-ЛК SH SН Е2-ЛК S-СО-СН3 HS-CoA CH3-CO-SCoA

Этапы окислительного декарбоксилирования пирувата 4. + → → + S Е2-ЛК S + NAD+ SН Е2-ЛК SH Е3–ФАД Е3–ФАДН2 Е3–ФАДН2 5. + → → Е3–ФАД NADH+H+

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты CH3-CO-COOH CH3-CO-SCoA NAD+ HS-CoA CO2 NADH+H+ Пиуват Ацетил-СоА Цикл Кребса Дыхательная цепь

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Ковалентная регуляция Е1 (фермент активируется при дефосфорилировании и ингибиуется при фосфорилиовании). Аллостерическая регуляция Е2 и Е3 (конечные продукты – ацетил-СоА и НАДН ингибируют соответственно Е2 и Е3). Регуляция энергетическим состоянием клетки (АТФ – ингибитор, АМФ – активатор).

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот - ЦТК, цикл лимонной кислоты, цитратный цикл ) последовательность реакций, в ходе которых происходит полное окисление ацетильного остатка ацетил-СоА до 2 молекул СО2. Происходит в матриксе митохондрий

CH3-C-SCoA II O COOH I C=О I CН2 I COOH COOH I CH2 I HO-C-COOH I CH2 I COOH + H2O HS-CoA Ацетил-СоА Цитрат синтаза Цитрат Оксалоацетат - H2O COOH I CH2 I C-COOH II CH I COOH Цис-аконитат + H2O COOH I CH2 I H-C-COOH I CН-ОН I COOH Изоцитрат Аконитаза Аконитаза

NAD+ NADH+H+ CO2 COOH I CH2 I CH2 I C=О I COOH α-кетоглутарат CO2 NAD+ NADH+H+ HS-CoA Изоцитрат дегидрогеназа α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс COOH I CH2 I CH2 I C=О I S-CoA Сукцинил-СоА GTP H3PO4 GDP HS-CoA Сукцинил-СоА-синтетаза COOH I CH2 I CH2 I CООН Сукцинат

FAD FADH2 COOH I CH II HC I CООН Фумарат Сукцинат дегидрогеназа + H2O COOH I CH-OH I CH2 I CООН Малат Фумараза NAD+ NADH+H+ COOH I C=O I CH2 I CООН Оксалоацетат Малат дегидрогеназа

Суммарная реакция цикла Кребса CH3-CO-SCoA + 2H2O + 3NAD+ + 1FAD + GDP + H3PO4 → 2CO2 + HS-CoA + 3NADH+3H+ + 1FADH2 + GTP

Функции цикла Кребса Интегративная – объединяет пути метаболизма основных классов веществ. Энергетическая – синтез одной молекулы ГТФ в реакции субстратного фосфорилирования. Донор водородов для дыхательной цепи (в составе NADH и FADH2).

Функции цикла Кребса 4. Амфиболическая: Катаболическая – расщепление ацетил-СоА до 2 молекул СО2 Анаболическая – промежуточные продукты цикла Кребса могут использоваться для синтеза определенных веществ. Примеры: оксалоацетат → Asp, Asn α-кетоглутарат → Glu, Gln

Регуляция цикла Кребса

Анаплеротические реакции - реакции, пополняющие промежуточные продукты цикла Кребса. Необходимость анаплеротических реакций вытекает из анаболической функции цикла Кребса.

Анаплеротические реакции COOH I C=O I CH3 + Пируват CO2 ATP ADP H3PO4 COOH I C=О I CН2 I CООН Оксалоацетат Пируват карбоксилаза COOH I C-O-PO3H2 II CH2 Фосфоенолпируват + CO2 GDP GTP COOH I CН2 I C=О I CООН Оксалоацетат Фосфоенолпируваткарбоксикиназа Биотин

Анаплеротические реакции Глутамат NADH+H+ + H2О NAD+ NH3 α-кетоглутарат Глутамат дегидрогеназа + Фенилаланин Тирозин Фумарат Метионин Валин Изолейцин Сукцинил-СоА

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Биологическое окисление (тканевое дыхание) – совокупность реакций окисления, протекающих в живых организмах. Функция – обеспечение организма доступной химической энергией в виде АТФ.

Биологическое окисление (БО) БО начинается с реакций дегидрирования субстратов. Реакции дегидрирования катализируются ферментами дегидрогеназами, которые в качестве кофакторов содержат НАД+ и ФАД.

НАД+-зависимые дегидрогеназы Пируват Изоцитат Малат Глутамат α-кетоглутарат НАДН+Н+

ФАД-зависимые дегидрогеназы Сукцинат Глицерол-3-фосфат Ацил-СоА ФАДН2

НАДН и ФАДН2, полученные в реакциях дегидрирования субстратов, переносят электроны и протоны в дыхательную цепь.

Дыхательная цепь (ДЦ) Комплекс ферментов и окислительно-восстановительных систем, участвующих в переносе электронов и протонов с восстановленных кофакторов (НАДН и ФАДН2) на кислород с образованием воды. Локализация процесса – внутренняя митохондриальная мембрана.

Функции дыхательной цепи Энергетическая – перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выделением свободной энергии, которая используется для синтеза АТФ. Реокисление кофакторов НАДН и ФАДН2.

Окислительно-восстановительные системы (редокс-системы) ОВ система состоит из донора и акцептора электронов. Каждая ОВ система обладает ОВ потенциалом (∆Еº´), который измеряется в вольтах (V) и характеризует сродство ОВ системы к электронам (т.е. способность отдавать или принимать электроны).

Окислительно-восстановительный потенциал Чем электроотрицательнее величина ОВ потенциала, тем выше способность ОВ пары отдавать электроны. Чем электроположительнее величина ОВ потенциала, тем выше способность ОВ пары принимать электроны. В дыхательной цепи ОВ системы расположены в порядке возрастания ОВ потенциала.

Окислительно-восстановительные системы дыхательной цепи NAD+/NADH ― -0,32V FMN/FMNH2 ― -0,05V CoQ/CoQH2 ― +0,04V цит.b (Fe3+)/цит.b(Fe2+ ) ― +0,12V цит.c1(Fe3+)/цит.c1(Fe2+ ) ― +0,22V цит.c(Fe3+)/цит.c(Fe2+ ) ― +0,25V цит.а(Fe3+)/цит.а(Fe2+ ) ― +0,29V цит.а3(Fe3+)/цит.а3(Fe2+ ) ― +0,55V ½O2/H2O ― +0,82V

НАД+-зависимые дегидрогеназы

ФАД-зависимые дегидрогеназы ФАДН2 (ФМНН2) ФАД (ФМН)

Железо-серные белки Белки, содержащие атомы железа (негемовое железо), связанные с серой остатков цистеина и/или неорганической серой. 3 типа железо-серных центров: FeS Fe2S2 Fe4S4

Железо-серный центр I (FeS) Атом железа связан координационными связями с 4-мя атомами серы 4-х остатков цистеина в белке.

Железо-серный центр II (Fe2S2) Каждый из 2-х атомов железа связан координационными связями с 2-мя атомами неорганической серы и 2-мя остатками цистеина в белке.

Железо-серный центр III (Fe4S4) 4 атома железа связаны координационными связями с 4-мя атомами неорганической серы и 4-мя остатками цистеина в белке.

Убихинон (коэнзим Q)

Убихинон (коэнзим Q) +2Н+ +2е -2Н+ -2е

Цитохромы – гемопротеины в дыхательной цепи участвуют цитохромы b, c, c1, а и а3. Цитохромы различаются: Структурой боковых цепей гема. Структурой полипептидных цепей. Способом связи полипептидных цепей с гемом. Значением ОВ потенциала.

Цитохромы Атомы железа в составе цитохромов переносят по одному электрону. Цитохромоксидаза (аа3) содержит и медь Cu2+ + 1e ↔ Cu+ – 1e Fe3+ Fe2+ 1e 1e

Структура гема цитохромов b, c и c1

Структура гема А (цитохромов а и а3)

Дыхательная цепь

NAD+ S NADH+H+ SH2 FMN FMNH2 CoQ CoQH2 2b(Fe 3+) 2b(Fe2+) 2e, 2H+ 2e, 2H+ 2e, 2H+ 2e 2c1(Fe3+) 2c1(Fe2+) 2c(Fe 3+) 2c(Fe2+) 2a(Fe3+) 2a(Fe2+) 2a3(Fe3+) 2a3(Fe 2+) 2Cu2+ 2Cu+ 2e 2e 2e 2e 2e ½O2 2e ½O22- + 2H+ H2O

½O22- NADH+H+ 2H+ ½O2 H2O 2e ∆G = -52,6 ккал/моль ∆G = -n*∆E*F n – число электронов; ∆E – разница ОВ потенциала в ДЦ; F – константа Фарадея = 23,061ккал/В*моль

NADH+H+ FMN Fe-S CoQ b, c1 Fe-S c aa3 Cu O2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV Комплексы дыхательной цепи

Комплексы дыхательной цепи I – NADH-CoQ-редуктаза II – сукцинат-CoQ-редуктаза III – CoQH2-цитохром с-редуктаза IV – цитохромоксидаза

Окислительное фосфорилирование синтез АТФ из АДФ и фосфата, сопряженный с дыхательной цепью (за счет энергии переноса электронов по дыхательной цепи). Перенос электронов по дыхательной цепи происходит постепенно и сопровождается уменьшением свободной энергии.

Окислительное фосфорилирование В ДЦ существуют 3 участка, где снижение свободной энергии достаточно для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (˃ 7,3 ккал/моль). Участки, где происходит синтез АТФ, называются точками фосфорилирования. Они соответствуют I, III и IV комплексам дыхательной цепи.

NADH+H+ FMN Fe-S CoQ b, c1 Fe-S c aa3 Cu O2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP Окислительное фосфорилирование

НАДН+Н+ = 3АТФ ФАДН2 = 2 АТФ

Энергетический баланс цикла Кребса Суммарная реакция цикла Кребса CH3-CO-SCoA + 2H2O + 3NAD+ + 1FAD + GDP + H3PO4 → 2CO2 + HS-CoA + 3NADH+3H+ + 1FADH2 + GTP 3НАДН = 3*3АТФ = 9АТФ 1ФАДН2 = 2АТФ 1ГТФ = 1АТФ 12 АТФ

Энергетический баланс декарбоксилирования пирувата CH3-CO-COOH CH3-CO-SCoA NAD+ HS-CoA CO2 NADH+H+ Пиуват Ацетил-СоА Цикл Кребса ДЦ 3 АТФ 12 АТФ 15 АТФ

Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования Хемиосмотическая теория Митчелла объясняет каким образом энергия переноса электронов по дыхательной цепи используется для синтеза АТФ.

Хемиосмотическая теория Митчелла Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Протоны не могут вернуться обратно в матрикс митохондрий, поскольку внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для протонов.

Хемиосмотическая теория Митчелла Создается протонный градиент – концентрация протонов в межмембранном пространстве больше чем в матриксе. Протоны заряжены положительно, поэтому появляется разность потенциалов по обе стороны внутренней мембраны: положительный – на наружной и отрицательный – на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.

Хемиосмотическая теория Митчелла В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал - ∆µН+ Протоны могут возвращаться в матрикс митохондрий только через ионный канал фермента АТФ-синтазы.

Хемиосмотическая теория Митчелла Перенос протонов через АТФ-синтазу по градиенту концентрации сопровождается выделением свободной энергии, которая используется для синтеза АТФ. Протонный градиент является движущей силой синтеза АТФ.

2е Внутренняя мембрана митохондрий Наружная мембрана митохондрий Матрикс митохондрий + 2Н+ 2Н+ 2Н+ 2Н+ 2Н+ 2Н+ + + + + + - - - - - - АДФ Н3РО4 АТФ АТФ-синтаза

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) Локализация – внутренняя мембрана митохондрий. Состоит из 2-х белковых комплексов: F0 – погружен в мембрану – является каналом для Н+ F1 – выступает в матрикс – является каталитической частью

Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О) отношение количества фосфорной кислоты (Р), используемой на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), используемого в дыхательной цепи. Для НАДН - Р/О = 3 Для ФАДН2 - Р/О = 2 Дыхательный контроль – зависимость скорости дыхательной цепи от концентрации АДФ.

АТФ/АДФ-транслоказа (антипортер) – переносит АТФ из матрикса и АДФ – в матрикс. Фосфат-транслоказа – фосфат переносится в матрикс вместе с протонами. Транспорт АДФ, АТФ и фосфатов через внутреннюю мембрану митохондрий ATP AДP Матрикс митохондрий Межмембранное пространство Н2РО4- Н+ АТФ/АДФ-транслоказа фосфат-транслоказа

Разобщение дыхания и фосфорилирования происходит под действием веществ, которые переносят протоны (протонофоры) или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства в матрикс митохондрий, минуя канал АТФ-синтазы. Исчезает протонный градиент и уменьшается синтез АТФ. Энергия переноса электронов выделяется в виде теплоты, коэффициент Р/О уменьшается.

Разобщающие агенты 2,4-динитрофенол Дикумарол Тироксин Свободные жирные кислоты Разобщающие агенты являются липофильными веществами, связывают в межмембранном пространстве протоны и переносят их в матрикс.

Терморегуляторная функция дыхательной цепи 40-45% энергии переноса электронов по дыхательной цепи используется для синтеза АТФ. 25% - на транспорт веществ через мембрану 30-35% - на теплообразование (термогенез) Разобщающие агенты увеличивают термогенез.

Физиологическая роль разобщения Поддержание температуры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных, при адаптации к холоду. Бурая жировая ткань специализированна на термогенезе: Содержит много митохондрий; Содержит много ферментов ДЦ; Содержит белок термогенин (разобщающий белок, UCP – uncoupling protein).

Термогенин По структуре близок к АТФ/АДФ-антипортеру, но не переносит нуклеотиды, а переносит анионы жирных кислот. Патологическое разобщение: Йодтиронины индуцируют синтез термогенина – при гиперфункции щитовидной железы увеличивается температура тела.

Ингибиторы дыхательной цепи I комплекс – ротенон III комплекс – антимицин IV комплекс – цианиды, СО Ингибиторы АТФ-синтазы Олигомицин

Микросомальное окисление Происходит в ретикулоэндоплазматической сети и заключается в гидроксилировании определенных веществ. Суммарная реакция S-H S-OH NADPH+H+ NADP+ H2O O2

Микросомальное окисление

Микросомальное окисление Ферменты – гидроксилазы (монооксигеназы). В процессе участвует цитохром Р450 и ФАД-зависимый флавопротеин. Биологическая роль: Обезвреживание экзогенных токсичных веществ и инактивация эндогенных активных веществ. Синтетическая роль (синтез стероидных гормонов, катехоламинов и др. веществ).

Активные формы кислорода Образуются при неполном восстановлении кислорода. Супероксидный анион О2 + е- → О2- Перекись водорода О2- + О2- + 2Н+ → Н2О2 + О2 Гидроксильный радикал О2- + Н2О2 → О2 + НО- + НО∙

Активные формы кислорода В нормальных количествах обладают физиологическими эффектами (фагоцитоз микроорганизмов, чужеродных частиц). В высоких концентрациях повреждают нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, мембранные липиды.

Антиоксидантные системы Ферменты: Супероксиддисмутаза (СОД) О2- + О2- + 2Н+ → Н2О2 + О2 Каталаза 2Н2О2 → 2Н2О + О2 Глутатион пероксидаза Глутатион редуктаза 2. Витамины Е, А, С.

Антиоксидантные системы H2O2 2H2O 2G-SH G-S-S-G NADPH+H+ NADP+ Глутатион пероксидаза Глутатион редуктаза

NADH+H+ FMN Fe-S CoQ b, c1 Fe-S c aa3 Cu O2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP

NADH+H+ FMN Fe-S CoQ b, c1 Fe-S c aa3 Cu O2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP ADP H3PO4 ATP Окислительное фосфорилирование