Обмен веществ и энергии ЦТК и его биологическая

Обмен веществ и энергии. ЦТК и его биологическая роль Доц. каф. химии, канд. биол. наук С. Н. Найдун

Обмен веществ состоит из:

Анаболизм Катаболизм Запасание энергии Освобождение энергии Синтез органического вещества Разрушение органического вещества Восстановление вещества Окисление вещества Поглощение СО 2 Выделение О 2 Поглощение О 2 Одинаковые исходные соединения, приводящие к Различные исходные соединения с одинаковыми различным продуктам конечными продуктами

Первый этап Переваривание и всасывание (ферментативное расщепление белков, жиров и углеводов ) Второй этап Промежуточный обмен (метаболизм): транспорт питательных веществ кровью к тканям и клеточный метаболизм Третий этап Выведение конечных продуктов метаболизма (в составе мочи, кала, пота, через легкие в виде CO 2 и т. д. )

Катаболизм (Диссимиляция) О 2 Н 2 О Получаем при дыхании Анаболизм (ассимиляция) Метаболизм Животные и растительные белки, жиры, углеводы, вода Распад органических веществ для получения энергии Тепловая Е Строение и рост организма Получаем с пищей Энергия АТФ используется для всех жизненных процессов Получение низкомолекулярных веществ Выделяется энергия Запасается энергия (АТФ) Получение высокомолекулярных веществ Е химических связей Выделяем во внешнюю среду СО 2 Тепловая Е Н 2 О Продукты распада Синтез органических веществ, свойственных человеку, с поглощением Е Резанова Е. А. и др, 1998

Стадии окислительно-восстановительных реакций в организме животных: 1. Образование ацетил-Ко. А (при окислении моносахаридов, глицерина, жирных кислот, аминокислот); 2. Окисление ацетил-Ко. А в цикле трикарбоновых кислот с образованием СО 2 и восстановленных коферментов НАДН(Н+) и ФАДН 2; 3. Окисление водорода восстановленных коферментов НАДН(Н+) и ФАДН 2 в дыхательной цепи с образованием воды и АТФ.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ, СОПРЯЖЕННАЯ С ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ (окислительное фосфорилирование) (свободное окисление).

Организация цепи переноса электронов, сопряженная с трансформацией энергии 1) НАДН(Н+) - Ко. Qоксидоредуктаза, 2) сукцинат – Ко. Qоксидоредуктаза, 3) Ко. Q - цитохром с – оксидоредуктаза, 4) цитохромоксидаза.

Стандартные восстановительные потенциалы E 0 некоторых сопряженных окислительновосстановительных пар Компоненты цепи переноса электронов: 2 Н+ + 2 е– → Н 2 − 0, 41 NAD+ + Н+ + 2 е– → NADH -0, 32 NADP+ + Н+ + 2 е– → NADPH -0, 32 NADH-дегидрогеназа (FMN-форма) + 2 Н+ + 2 е– → NADP-дегидрогеназа (FMNH 2–форма) − 0, 30 Убихинон+ 2 Н+ + 2 е– → Убихинол + 0, 04 Цитохром b (окисл. ) +е– → Цитохром b (восст. ) + 0, 07 Цитохром c 1 (окисл. ) + е– → Цитохром c 1 (восст. ) + 0, 23 Цитохром c (окисл. ) + е– → Цитохром c (восст. ) + 0, 25 Цитохром a (окисл. ) + е– → Цитохром a (восст. ) + 0, 29 Цитохром a 3 (окисл. ) + е– → Цитохром a 3 (восст. ) + 0, 55 1/2 O + 2 Н+ + 2 е– → Н 2 O + 0, 82

Организация дыхательной цепи I– NADH-дегидрогеназа (убихинон); II – сукцинатдегидрогеназа; III – убихинолцитохром c-редуктаза; IV — цитохром c-оксидаза; V – H -транспортирующая АТФсинтаза

Компоненты ЭТЦ митохондрий Никотинамидадениндинуклеотид

Флавиновые ферменты

Убихиноны (кофермент Q)

Цитохромы (цитохром-с-оксидаза)

Словарь ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом протонов и электронов по дыхательной цепи от субстратов к кислороду, называется окислительным фосфорилированием.

Механизм окислительного фосфорилирования 1. Конформационная теория (Грн, Бойер). В процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое богатое энергией состояние, а затем при возвращении в исходное состояние передают энергию для синтеза АТФ. 2. Гипотеза химического сопряжения (Липман, Слейтер, Ленинджер). Сопряжение дыхания и фосфорилирования с участием сопрягающих веществ. Эти вещества акцептируют протоны и электроны от первого фермента и взаимодействуют с фосфорной кислотой. В момент отдачи протонов и электронов второму ферменту сопряженная связь становится макроэргической. Далее макроэрг передается на АДФ с образованием АТФ.

3. Хемиосмотическая теория П. Митчелла Согласно хемиосмотической теории П. Митчелла сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается градиентом электрохимического потенциала ионов водорода. Перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны где, таким образом возрастает концентрация ионов водорода. В результате происходит генерирование р. Н (защелачивание в матриксе и закисление с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны) и (разности электрических потенциалов, причем та часть внутренней мембраны, которая обращена к матриксу, приобретает отрицательный заряд, а та, которая обращена к межмембранному пространству – положительный). Протонный градиент используется для синтеза АТФ, который осуществляется при помощи ферментного комплекса АТФ-синтазы в ходе обратного поступления протонов в митохондриальный матрикс.

Выброс протонов происходит в 3 -х пунктах потока электронов по дыхательной цепи от НАДН(Н+) к О 2 – в I, III и IV комплексах; 1 -й пункт - это НАДН(Н+) – Ко. Q - оксидоредуктазный комплекс; 2 -й пункт - Ко. Q - цитохром с - оксидоредуктазный комплекс; 3 -й - цитохромоксидазный комплекс. Протонный градиент, генерируемый в каждом из этих пунктов при переносе одной пары электронов от НАДН(Н+) к О 2, используется для синтеза одной молекулы АТФ (АДФ + Н 3 РО 4 АТФ ). Окисление одной молекулы НАДН(Н+) дает 3 АТФ, тогда как окисление ФАДН 2 - 2 АТФ (энергии, выделяющейся в процессе функционирования сукцинат-Ко. Q-оксидоредуктазного комплекса недостаточно для синтеза АТФ, т. е. трансформации энергии здесь не происходит).

СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ Субстратное фосфорилирование является альтернативным механизмом образования АТФ, так как оно не требует образования Н+. В ходе окисления субстратов образуются макроэргические соединения, разрыв макроэргической связи в которых сопряжен с фосфорилированием АДФ (т. е. с синтезом АТФ). Пример субстратного фосфорилирования: О ОН // + С О Р = О СООН С – Н +НАД + H 3 PO 4 +АДФ Н – С – ОН ОН ОН Н – С – ОН НАДН(Н+) АТФ СН 2 О Р = О СН 2 – О Р = О СН 2 – О – Р = О ОН ОН ГА – 3 – Ф 1, 3 – ДФГ 3 – ФОСФОГЛИЦЕРАТ (3 ФГ) В процессе гликолиза высвобождаемая при окислении глицеральдегид 3 фосфата (ГА 3 Ф) энергия, аккумулируется в макроэргической связи 1, 3 дифосфоглицерата (1, 3 ДФГ). Расщепление этой связи в дальнейшем сопряжено с фосфорилированием АДФ, в результате чего осуществляется образование АТФ.

МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Энергия, прежде чем быть использованной для нужд организма, аккумулируется в макроэргических соединениях. Гидролиз таких соединений сопровождается выделением большого количества энергии (свыше 7 ккалмоль). К ним относятся нуклеозидтрифосфаты, ацилфосфаты, енолфосфаты, тиоэфиры, фосфагены. Нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) содержат по 2 макроэргические связи. АТФ является главным, непосредственно используемым донором свободной энергии в биологических системах.

Структура АТФ Гидролиз АТФ может происходить двумя путями: АТФ + Н 2 О АДФ + Н 3 РО 4; АТФ + Н 2 О АМФ + Н 4 Р 2 О 7 В обоих случаях при стандартных условиях высвобождается 7, 3 ккалмоль энергии (при условиях, существующих в клетке в норме, около 12 ккалмоль). Высвобождаемая при гидролизе АТФ энергия, используется для процессов биосинтеза сложных веществ из более простых, при мышечном сокращении, для активного транспорта молекул и ионов

Основные пути использования энергии АТФ

Словарь Свободное окисление Процесс окисления веществ не сопряженный с синтезом АТФ. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Классическим примером разобщения окисления с образованием АТФ является действие 2, 4 -динитрофенола (ДНФ).

СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ДНФ используется для снижения массы тела, за счет резкого увеличения протонной проницаемости клеточных мембран. При этом происходит разобщение окислительного фосфорилирования, приводящее к развитию тяжелых дистрофических процессов в результате недостаточного синтеза клеткой АТФ. Частичное разобщение окисления с фосфорилированием наблюдается при многих заболеваниях, поскольку митохондрии являются наиболее чувствительными клеточными органеллами к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Митохондриальная патология развивается при гипертиреозе. При избыточном выделении щитовидной железой гормонов происходит набухание митохондрий и их распад, что приводит к снижению образования АТФ. При этом усиливаются окислительные процессы, отмечается более высокая чем в норме температура тела, учащается сердцебиение.

Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных, у некоторых новорожденных животных и у млекопитающих, адаптированных к холоду. Для этого процесса термогенеза специализирована бурая жировая ткань, очень богатая митохондриями. В качестве разобщителей в ней выступают жирные кислоты, высвобождение которых в свою очередь регулируется норадреналином. Таким образом, степень разобщения окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани находится под гормональным контролем. Митохондрии в этой ткани могут выполнять функцию генераторов АТФ или миниатюрных обогревательных печей.

В микросомах печени с участием цитохрома Р-450 происходит метаболизм многих лекарственных веществ путем их гидроксилирования. Восстановителями цитохромов являются НАДН(Н+) и НАДФН(Н+): Лек - Н + О 2 + цитохром Р-450 (Fe 2+) + 2 Н+ Лек - ОН + Н 2 О + цитохром Р-450 + (Fe 3+) Митохондриальные цитохром Р-450 - содержащие монооксигеназные системы находятся в коре надпочечников, в семенниках, яичниках, плаценте. Они участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина. В печени происходит гидроксилирование холестерина по положению 26 в ходе биосинтеза желчных кислот.

Обмен веществ Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм) Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) Совокупность реакций расщепления сложных органических веществ (в том числе и пищевых) до более простых, сопровождающихся выделением энергии Совокупность реакции синтеза сложных органических молекул из более простых с накоплением энергии

В аэробных условиях образовавшийся ацетил-Со. А вступает в цикл Кребса. В цикле Кребса после реакций отнятия и присоединения воды, декарбоксилирования и дегидрирования ацетильный остаток, поступивший в цикл в виде ацетил-Со. А, полностью расщепляется. Суммарная реакция записывается в следующем виде: СН 3 СО ~ S-Со. А + 3 Н 2 О + АДФ + Н 3 РО 4 → НS-Со. А + 2 СО 2 + 4[Н 2] + АТФ Цикл Кребса проходит одинаково у животных и растений. Это является еще одним доказательством единства происхождения. Цикл происходит в строме митохондрий. Рассмотрим его подробней: Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-Со. А на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат)

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

1. Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-Со. А на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат). В ходе реакции, катализируемой цитратсинтазой, растрачивается макроэргическая связь ацетил-Со. А, т. е. та энергия, какая была занесена в процессе окисления пирувата перед началом цикла. Это значит, как и гликолиз, цикл Кребса начинается не с запасания энергии в клетке, а с расходования. Цепь преобразований в этом цикле направлена, в конечном счете, на разрушение углеродного состава ряда кислот и начинается с их увеличения: двухуглеродный фрагмент (уксусная кислота) присоединяется к четырехугольному фрагменту ЩУК с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты цитрата, которая может запасаться в клетках в больших количествах.

Таким образом, цикл Кребса – процесс каталитический и начинается не с катаболизма (разрушения), а с синтеза цитрата. Цитратсинтетаза, катализирующая эту реакцию, относится к регуляторным ферментам: она ингибируется НАДН и АТФ. НАДН – конечный продукт, в форме которого запасается энергия, освобождаемая в процессе дыхания. Чем активней цитратсинтетаза, тем быстрей пойдут и другие реакции цикла, быстрей пойдет дегидрирование веществ с образованием НАДН. Однако увеличение количества последнего вызывает ингибирование фермента, и цикл затормозится. Это пример реакции по принципу обратной связи.

Следующая серия реакций – преобразование цитрата в активную изолимонную кислоту (изоцитрат). Она протекает при участии воды и по сути сводится до внутримолекулярного преобразования лимонной кислоты. Промежуточным продуктом этого преобразования является цис-аконитовая кислота: Н 2 С–СООН НОС–СООН Н 2 С–СООН Цитрат НОС–СООН НС–СООН –Н 2 О С–СООН Н 2 С–СООН Цис-аконит +Н 2 О НС–СООН Н 2 С–СООН Изоцитрат

Катализируются обе реакции аконитатгидротазой. Затем изоцитрат дегидрируется с участием изоцитратдегидрогеназы, коферментом которой является НАД+. В результате окисления образуется щавелево-янтарная кислота (оксалосукцинат). Последняя кислота декарбоксилируется. Отсоединяющийся СО 2 принадлежит ацетильному остатку, вступившему в цикл в виде ацетил-Со. А. В результате декарбоксилирования образуется очень активная α-кетоглутаровая кислота (кетоглутарат). α-кетоглутарат, в свою очередь, подвергается тем же изменением, которые происходят перед началом цикла с пируватом: одновременное окисление и декарбоксилирование. В реакции принимает участие α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс: α-кетоглутарат + НАД+ + Со. А–SН → сукцинил-S-Со. А + СО 2 + НАДН + Н+ → сукцинил–S–СОА + АДФ + Н 3 РО 4 → янтарная кислота + АТФ + Со. А–SН

Освободившийся СО 2 является другой частицей, которая отщепляется от ацетильного остатка. Образовавшийся в результате этих сложных преобразованием янтарная кислота (сукцинат) вновь дегидрируется, и образуется фумаровая кислота (фумарат). Реакция происходит с помощью сукцинатдегидрогеназы. Фумарат после присоединения молекулы воды легко преобразуется в яблочную кислоту (малат). В реакции принимает участие фумаратгидротаза. Яблочная кислота, окисляясь, преобразуется в ЩУК при участии НАД+ – специфической малатдегидрогеназы. Напомним, что ЩУК конечный продукт цикла Кребса – образуется и при фотосинтезе С 4 -растений (цикл Хетча – Слека) при карбоксилировании ФЕП на свету, и в темноте у растений типа САМ. Таким образом, цикл Кребса заканчивается и может начинаться сначала. Одно условие – подача новых молекул ацетил-Со. А.

Главное значение цикл Кребса состоит в запасании энергии, которая освобождается в результате разрушения пирувата, в макроэргических связях АТФ. Поставляя в клетку АТФ, цикл Кребса может являться регулятором других процессов, идущих с затратой энергии, таких как транспорт воды и солей, синтез и транспорт органических веществ. Чем быстрей проходит преобразование веществ в цикле, тем больше может синтезироваться АТФ, тем быстрей пойдут указанные процессы. Промежуточные вещества, образуемые в цикле, могут использоваться на синтез белков, жиров, углеводов. Например, ацетил-Со. А – необходимый продукт для синтеза жирных кислот, кетоглутарат может в результате восстановительного аминирования преобразовываться в глутаминовую, а фумарат или ЩУК – в аспарагиновую кислоты.

Суммарный результат цикла Кребса сводится, таким образом, к тому, что каждая ацетильная группа (двухуглеродный фрагмент), которая образуется из пирувата (трехуглеродный фрагмент) расщепляется до СО 2. Во время этого процесса восстанавливается НАД+, ФАД+ и синтезируется АТФ. В регуляции цикла ди- и трикарбоновых кислот важное значение имеет соотношение между НАДН и НАД+, а также концентрация АТФ. Высокое содержание АТФ и НАДН угнетает активность таких ферментов цикла Кребса, как пируватдегидрогеназа, цитратсинтетаза, изоцитратдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Повышение концентрации оксалоацетата угнетает ферменты, активность которых связана с его синтезом, – сукцинатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Окисление 2 оксиглутаровой кислоты ускоряется аденилатами, а сукцината – АТФ, АДФ и убихиноном. В цикле Кребса имеется и ряд других пунктов регулирования.