ВВЕДЕНИЕ В МЕТАБОЛИЗМ И БИОЭНЕРГЕТИКУ клетки Лектор: к.

ВВЕДЕНИЕ В МЕТАБОЛИЗМ И БИОЭНЕРГЕТИКУ клетки Лектор: к. м. н, доц. Девина Елена Анатольевна

Метаболическая карта Метаболизм — совокупность химических реакций, протекающих в клетках с момента поступления веществ в организм до образования конечных продуктов обмена

Изучим 1. 2. 3. Источники веществ и энергии для метаболизма Центральные метаболические пути Механизмы участвующие в передаче химической энергии

Принципиальное различие между гетеротрофами и автотрофами гетеротрофы Источник энергии для гетеротрофов – химическая энергия, заключенная в связях органических соединений пищи. Запасается химическая энергия в виде АТФ автотрофы

Рекомендации ВОЗ Углеводы – 55% Жиры – 30% (1: 1) Белки – 15% Алкоголь – 0%

Две стороны метаболизма Катаболизмпроцесс расщепления сложных молекул до более простых, идущий с выделением энергии. Анаболизм процесс синтеза сложных веществ из более простых, идущий с затратой энергии в виде АТФ.

Анаболизм и катаболизм взаимосвязаны: Углеводы Белки, Жиры к а т а б о л и з м 2 АТФ НАДФН+Н+ 3 Пируват АК Ацетил-Ко. А СО 2, Н 2 О, NH 3 Белки, Липиды Полисахариды, НК 1 а н а б о л и з м Пируват, АК Ацетил-Ко. А Азотистые основания

Анаболизм и катаболизм взаимосвязаны на уровне регуляторов обмена: Активность гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазаы регулируется реципрокно; инсулин активирует гликогенсинтазу и ингибирует гликогенфосфорилазу. Глюкагон оказывает противоположное действие. 4.

Функции метаболизма: cнабжение клеток химической энергией; q превращение молекул пищи в строительные блоки; q синтез из этих блоков компонентов клетки (белки, липиды, нуклеиновые кислоты); q синтез и разрушение специализированных молекул (гем, холин). q

Метаболический путь — последовательность химических превращений вещества. S A B C D P

Виды метаболических путей: u Линейные (гликолиз, распад и синтез гликогена и др. ) E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 S A B C D P Циклические (цикл трикарбоновых кислот, орнитиновый цикл) u

Виды метаболических путей: В виде спирали (синтез и окисление жирных кислот) q q Разветвленные (синтез нуклеотидов)

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ u. Многоэтапны u. Взаимосвязаны u. Регулируются u. Скоординированы (компартментализация)

Фермент, который определяет скорость всего процесса в целом, называются ключевым ферментом. ЭТО: 1. Первый фермент метаболического пути E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 S A B C D P 2. Лимитирующий ферменткатализирует самую медленную реакцию 3. Фермент на разветвлении метаболических путей

Ключевые ферменты имеют четвертичную структуру. u Их активность регулируется: 1. Аллостерическими эффекторами (Р, коферменты, метаболиты); 2. Гормонами (путем обратимой ковалентной модификации). * Высокая внутриклеточная концентрация S (субстрата) может стимулировать биосинтез (индукцию) фермента.

К А Т А Б О Л И З М СО 2 НАДН. Н+ НАДФН. Н+ АТФ III этап Заключительный (митохондрии) Хим. энергия АТФ, тепло ЦТК е Н+ СО 2 Дыхательная цепь 2 Н++1/2 О 2 →Н 2 О АДФ+Н РО → АТФ

Окислит. -восстановит. реакции (ОВР) это перенос электронов от восстановителя к окислителю Оксидоредуктазы ( I кл. ) катализируют ОВР. Пути передачи электронов в клетке: u В составе атомов водорода (дегидрогеназы) SH 2 + ФАД → S + ФАДН 2 u В составе гидрид-иона (дегидрогеназы) SH 2 + НАД+ → S + НАДН∙Н+ u Прямой перенос электронов (цитохромы) Fe 3+ + е → Fe 2+ q Перенос электронов непосредственно на кислород (оксидазы)

ДЕГИДРОГЕНАЗЫ (ДГ) u ПИРИДИНОВЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ Кофермент : НАД+, НАДФ+ НАД+ + 2 е- + 2 Н+ ↔ НАДН∙Н+ НАДФ+ + 2 е- + 2 Н+ ↔ НАДФН∙Н ∙ +Н+

ФЛАВИНОВЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ Кофермент: ФАД, ФМН ФАД + 2 е- + 2 Н+ ↔ ФАДН 2 ФМН + 2 е- + 2 Н+ ↔ ФМНН 2

Митохондрии – центры аэробного окисления клетки q Наружная мембрана мтх проницаема для веществ с М. м. до 10 000 Да (белки/липиды 1: 1). q Межмембранное пространство содержит аденилаткиназу, киназу нуклеозиддифосфатов мтх образует кристы (белки/липиды q. Внутренняя мембрана 3: 1). Непроницаема для большинства веществ и ионов. Проникает кислород и нейтральные молекулы с М. м. до 150 Да. Содержит дыхательные цепи, АТФ-синтазы и транслоказы – ферменты, осуществляющие перенос веществ и ионов в матрикс. Матрикс мтх содержит ферменты окисления пирувата, жирных кислот, глутамат. ДГ, ферменты цтк. ЗДЕСЬ ПРОИСХОДИТ ДЕГИДРИРОВАНИЕ СУБСТРАТОВ – ДОНОРОВ ВОДОРОДА ДЛЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

Субстраты – доноры Н+ для дыхательной цепи образуются в центральных метаболических путях

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПВК пируватдегидрогеназный комплекс (ПВДГК) включает 3 фермента и 5 коферментов. u Е 1 — пируватдекарбоксилаза. Коферментактивная форма витамина В 1, тиамина — ТПФ (тиаминпирофосфат). u Е 2 — дигидролипоилацетилтрансфераза. Кофермент-липоевая кислота (липоил), присоединяет 2 атома водорода и переносит ацетильные остатки. С Е 2 работает активная форма пантотеновой кислоты — Ко. А-SH, принимает ацетильный остаток от липоевой кислоты. u Е 3 — дигидролипоилдегидрогеназа. Кофермент-ФАД — активная форма витамина В 2, рибофлавина. С ферментом работает также кофермент НАД+ —вит. РР.

СО 2 СН 3 -СО-СOOH + E 1 -ТПФ-Н Е 1 -ТПФ-СНОН-СН 3 оксиэтил-ТПФ-Е 1 Е 1 -ТПФ-СНОН-СН 3 + Е 2 - ЛК S Е 2 - ЛК + S ацетиллипоил-Е 2 Е 2 - ЛК CH 3 -CO~SKo. A + HS S~CO-CH 3 Е 1 -ТПФ-Н HS~Ko. A HS S~CO-CH 3 Е 2 - ЛК E 3 -ФАД Е 2 - ЛК S S HS SH E 3 -ФАДН 2 + НАД+ HS SH дигидролипоил-Е 2 E 3 -ФАДН 2 НАДН. Н+ E 3 -ФАД СН 3 -СО-СOOH + HS~Ko. A + НАД+ СО 2 + CH 3 -CO~SKo. A + НАДН. Н+ ПВДГК

Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса Пируват Инсулин

Регуляция активности ПВДГК путем обратимой ковалентной модификации

Цикл Кребса Г. Кребс и Ф. Липман, 1953 г. – Нобелевская премия

Ацетил-Ко. А CH 3 -CO~SKo. A CH 2 -COOH H 2 O HS~Ko. A O=C-COOH щук цитрат HO-C-COOH цитратсинтаза CH-COOH НАДН·Н+ НАД+ CH 2 -COOH изоцитрат аконитаза малат. ДГ CH 2 -COOH HO-CH-COOH малат HO-CH-COOH изоцитрат. ДГ фумараза НАД+ H 2 O CO 2 НАДН·Н+ CH-COOH сукцинат. ДГ фумарат сукцинил. Ко. А синтетаза ФАДН 2 ФАД+ CH 2 -COOH сукцинат НАДН·Н+ АТФ ГДФ HS~Ko. A Ф CH 2 -COOH α-кетоглутарат ДГК CH 2 -COOH CH 2 O=C~SKo. A CH 2 O=C-COOH НАД+ CO 2 HS~Ko. A сукцинил-Ко. А α-кето глутарат

Функции цикла Кребса Интегративная функция. Цикл Кребса является связующим звеном между реакциями катаболизма и анаболизма (амфиболический путь) Катаболическая функция. В ходе цикла Кребса окисляются до конечных продуктов ацетильные остатки, образовавшиеся из топливных молекул (глюкоза, жирных кислот, глицерол, аминокислот).

пвк жирные кислоты лей, фен, трп Ацетил-Ко. А цитрат щук НАДН·Н+ НАД+ Катаболическая функция малат изоцитрат НАД+ НАДН·Н+ α-кето глутарат фумарат фен тир CO 2 НАД+ ФАДН 2 ФАД+ АТФ ГДФ сукцинат НАДН·Н+ арг, гис, глу CO 2 сукцинил-Ко. А мет, иле, вал

Анаболическая функция u Субстраты, образующиеся в цикле Кребса, используются для синтеза многих соединений (аминокислот, гема, глюкозы) u Углекислый газ, образующийся в ЦТК, используется в анаболических реакциях карбоксилирования (Екарбоксилазы, коф. вит. Н, биотин)

асп, асн глюкоза Ацетил-Ко. А щук цитрат НАДН·Н+ НАД+ Анаболическая функция малат изоцитрат НАД+ НАДН·Н+ CO 2 α-кето глутарат фумарат АТФ ГДФ сукцинат глу, глн (АО)) НАД+ ФАДН 2 ФАД+ Реакции карбоксили рования НАДН·Н+ CO 2 сукцинил-Ко. А гем

Водороддонорная функция u Цикл Кребса поставляет атомы водорода для дыхательной цепи, при окислении которых выделяется энергия, часть которой запасается в виде АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования

Водороддонорная функция Ацетил-Ко. А щук цитрат НАДН·Н+ НАД+ малат изоцитрат Дыхательная цепь НАД+ 3 НАДН·Н+ 1 ФАДН 2 НАДН·Н+ CO 2 α-кето глутарат фумарат ФАДН 2 ФАД+ НАД+ АТФ ГДФ сукцинат НАДН·Н+ CO 2 сукцинил-Ко. А

Ацетил-Ко. А щук цитрат НАДН·Н+ НАД+ Энергетическая функция малат изоцитрат НАД+ НАДН·Н+ 10 АТФ фумарат ФАДН 2 ФАД+ α-кето глутарат НАД+ АТФ ГДФ сукцинат CO 2 НАДН·Н+ CO 2 сукцинил-Ко. А

Энергетический выход цикла Кребса 3 HAДН • Н+ → 7, 5 моль АТФ ФАДН 2 → 1, 5 моль АТФ (субстратное фосфорилирование) ИТОГО: 10 АТФ

Цикл Кребса не прерывается благодаря анаплеротическим реакциям, которые пополняют фонд его субстратов ПВК + СО 2 + АТФ → ЩУК + АДФ + Н 3 РО 4 Е: Пируваткарбоксилаза асп + a-кетоглутарат → щук + глу Е: Аспартатаминотрансфераза

Регуляция ЦТК Ключевые ферменты Ингибиторы Активаторы Цитратсинтаза АТФ Цитрат НАДН·Н+. Сукцинил-Ко. А Ацил-Ко. А Изоцитрат. ДГ АТФ, НАДН·Н+. α-КТДГК Сукцинил-Ко. А АДФ НАД+

Адениловая система ATФ, AДФ, AMФ, Pн, PPн, ц AMФ ATФ Pн ATФ AДФ AMФ Pн P Pн

АТФ - переносчик химической энергии в клетках ~ (тильда) - макроэргические ангидридные связи АДЕНИН РИБОЗА Ф ~ Ф ∆ G 0/ гидролиза АТФ = - 7, 3 ккал/моль (32 к. Дж/моль)

∆ G 0/ ─ разность между свободной Е исходных веществ и свободной Е продуктов реакции в биохимической системе при стандартных условиях ( t = 25 0 C; p = 1 атм. ; p. H = 7, 0; концентрация исходных компонентов = 1 М) Макроэрги ─ ∆ G 0/ > - 5 ккал/моль (22 к. Дж/моль), Ф. Липман, 1941 Фосфорилированные соединения Фосфоенолпируват 3 -фосфоглицероилфосфат Креатинфосфат АТФ/АДФ АМФ Глюкоза-6 -фосфат Глицерол-1 -фосфат ∆ G 0/ (ккал/моль) -14, 8 -11, 8 - 10, 3 - 7, 3 - 3, 4 - 3, 3 - 2, 2

Помимо АТФ - универсальной энергетической валюты клетки используют и другие макроэрги ГТФ используется при q ЦТФ используется в биосинтезе белков реакциях липидного u УТФ используется в обмена (активация азотистых реакциях углеводного соединений при обмена (биосинтезе сложных гликогена, липидов) глюкуроновой кислоты, обмене галактозы) Но! Для синтеза этих макроэргов требуется АТФ u

Синтез АТФ носит название фосфорилирования и описывается уравнением: АДФ + Н 3 РО 4 + Э = АТФ + Н 2 О.

Виды фосфорилирования: 1. Окислительное – синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов по дыхательной цепи Локализация: внутренняя мембрана митохондрии (ВММ) 2. Субстратное окисления – синтез АТФ за макроэргического счет энергии субстрата (креатинфосфат, фосфоенолпируват, 1, 3 -дифосфоглицерат, сукцинил-Ко. А). Локализация: цитозоль, митохондрии S~ Ф + А Р Ф ~Ф 3. Фотосинтетическое = S+ А Р Ф ~ Ф~ Ф

Образование АТФ (окислительное фосфорилир-е) сопряжено с реакцией окисления водорода кислородом до воды In vitro: H 2 + 1/2 O 2 → H 2 O + 220 к. Дж/моль In vivo E

Процессы, которые используют энергию гидролиза макроэргических связей АТФ: u. Синтез биомолекул из предшественников u. Активация молекул (глюкоза, глицерол) u. Выполнение механической работы u. Перенос веществ через мембраны (транспортные АТФ-азы) u. Передача наследственной информации (репликация, транскрипция, трансляция) u. Проведение нервного импульса u. Превращение в другие виды энергии (электрическая, люминесценция)