Заняття 5 СТОМ. Обмін речовин і енергії. Дослідження функціонування, регуляції та енергетичної вартості циклу трикарбонових кислот.

Цілі заняття:

• Трактувати біохімічні закономірності протікання обміну речовин: катаболічні, анаболічні, амфіболічні шляхи метаболізму.

• Пояснювати біохімічні механізми регуляції процесів анаболізму та катаболізму.

• Трактувати біохімічні закономірності функціонування циклу три карбованих кислот, його анаплеротичні реакції та амфіболічну сутність.

• Пояснювати біохімічні механізми регуляції циклу трикарбонових кислот та його ключову роль в обміні речовин та енергії.

Теоретичні питання для самопідготовки до заняття:

1. Загальні закономірності обміну речовин; катаболічні, анаболічні, та амфіболічні шляхи метаболізму.

2. Екзергонічні та ендергонічні біохімічні реакції; роль АТФ та інших макроергічних фосфатів у їх спряженні.

3. Внутрішньоклітинна локалізація ферментів та метаболічних шляхів, компартменталізація метаболічних процесів в клітині.

4. Основні стадії катаболізму біомолекул: білків, вуглеводів, ліпідів.

5. Спільні проміжні продукти катаболізму білків, вуглеводів, ліпідів; їх роль в інтеграції метаболізму клітини.

6. Цикл трикарбонових кислот:

• внутрішньоклітинна локалізація ферментів ЦТК;

• послідовність реакцій ЦТК;

• ферменти та коферменти ЦТК;

• реакції субстратного фосфорилювання в ЦТК;

• ферменти та коферменти дегідрогеназних реакцій в ЦТК;

• механізми інгібування ЦТК фторацетатом та малонатом.

7. Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот.

8. Анаплеротичні та амфіболічні реакції ЦТК.

Зміст теми

Обмін речовин (або метаболізм) - це сукупність біохімічних реакцій перетворення хімічних сполук, які відбуваються в живих організмах. Обмін речовин складається з декількох послідовних стадій:

В обміні речовин виділяють два протилежні процеси: катаболізм та анаболізм.

Катаболізм - сукупність процесів розщеплювання речовин з виділенням енергії. Розщеплювання біоорганічних молекул (глюкози, амінокислот, жирних кислот, гліцерину) до кінцевих продуктів обміну (СО₂, Н₂О, NН₃) з виділенням енергії і її акумуляцією у вигляді АТФ і інших макроергічних фосфатів.

Анаболізм - синтез специфічних, генетично детермінованих даному організму, біополімерів і молекул (білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот і ін.), необхідних для утворення власних структур. Використання енергії (у формі АТФ або інших формах) для забезпечення різних фізіологічних функцій. Процеси перетворення одних метаболітов в інших складають метаболічні шляхи. Метаболічні шляхи поділяються на:

1. Катаболічні, які включають реакції розщеплювання біомолекул (гідролізу, окислення і ін.);

2. Анаболічні, які складаються з реакцій синтезу складних з'єднань (білків, полісахаридів, нуклеїнових кислот);

3. Амфіболічні; метаболіти цих процесів можуть перетворюватися як в катаболічних, так і в анаболізмі процесах. Прикладом є цикл трікарбонових кислот. Обмін речовин пов'язаний з обміном енергії. Серед реакцій метаболізму виділяють:

Катаболізм супроводжується виділенням енергії яка може накопичуватись у вигляді АТФ. Анаболізм супроводжується поглинанням енергії у вигляді АТФ та перетворенням її на АДФ та H₃PO₄. Можна визначити АТФ як ланку, що поєднує обидва шляхи метаболізму.

Схема 1. Спеціалізований та загальний шлях катаболізму органічних сполук.

Отже, катаболічні та анаболічні шляхи поєднані не лише через енергетичну систему АТФ – АДФ, але й через спільні метаболіти , що й надає гнучкості та ощадливості обміну речовин. Однак АТФ не єдиний зв’язуючий компонент обох шляхів. Крім нього при катаболізмі макромолекул та мономерів утворюються найпростіші метаболіти, які можуть бути використані як сировина для біосинтезу мономерів та макромолекул в процесі анаболізму. При необхідності для біосинтезу використовуються проміжні сполуки, тим самим відпадає необхідність у їх надходженні з зовні. Амфіболічні шляхи зв’язані з термінальною, або кінцевою системою окислення речовин, де вони розпадаються (згорають) до кінцевих продуктів (СО₂ та Н₂О) з утворенням великої кількості енергії. Крім них кінцевими продуктами метаболізму є сечовина та сечова к-та, що утворюються в спеціалізованих реакціях обміну амінокислот та нуклеотидів.

В ході катаболічних і анаболічних процесів відбувається оновлення молекулярних компонентів клітини. Слід підкреслити самостійність шляхів катаболізму та анаболізму. Співпадіння цих шляхів з різноспрямованістю напрямку призвело б до появи футильних (марних) циклів. Такі цикли наявні за патологічного процесу, коли можливий марний кругообіг метаболітів. Щоб це не відбувалось в клітинах шляхи розпаду та синтезу просторово розмежовані. Так процеси окислення жирних кислот відбувається в мітохондріях, а їх синтез - поза мітохондріями, у мікросомах.

Схема 2. Продукти перетворень органічних сполук у загальному шляху катаболізму

Всі хімічні реакції в живій клітині з яких складається обмін речовин, підпорядковуються законам термодинаміки. Некеровані хімічні реакції можуть відбуватись виключно в одному напрямку – напрямку стану рівноваги, у міру досягнення якого вони припиняються.

Особливість циклу Кребса, як загального шляху катаболізму, полягає у зворотності реакцій від оксалоацетату до сукцинату, тому у мітохондріях ця гілка може працювати в зворотному напрямку, тобто оксалоацетат може перетворюватись у метаболіти циклу Кребса до сукцинату. Така можливість використовується, коли відбувається накопичення оксалоацетату, отриманого в інших допоміжних реакціях.

Енергетика процесів біологічного обміну речовин ґрунтується на трьох основних принципах, які відрізняються від енергетичних реакцій, що відбуваються в неживій природі.

Першою, дуже важливою, особливістю енергетичного обміну речовин у біологічних системах є перехід хімічної енергії в інші форми без попереднього її перетворення на теплову енергію. Тому живу систему розглядають як хімодинамічну, а не як тепловий двигун. Так, коефіцієнт (ККД) у звичайного двигуна становить 20—25 %, реактивного — до 45 %, а мітохондріи (силові станції) організму — 60—70 %.

Другою особливістю біоенергетики є те, що вивільнення енергії під час хімічних окиснювальних процесів здійснюється поступово, малими порціями, доки всі атоми водню і вуглецю не перетворяться на кінцеві продукти окиснення — воду і вуглекислий газ. Наприклад, у разі окиснення 1 моля глюкози виділяється 2881,2 кДж енергії. Якби ця енергія виділилась одномоментно, то стався б вибух, і організм не зміг би її засвоїти за такий короткий період.

Третьою особливістю біоенергетики є те, що потенціальна хімічна енергія, яка міститься в хімічних зв'язках молекул вуглеводів, ліпідів, білків тощо у разі вивільнення може нагромаджуватися в інших речовинах, які є акумуляторами енергії. Вони дістали назву високоергічних, або макроергічних, сполук. Акумульована енергія є легко доступною в різних процесах життєдіяльності організму.

Цикл трикарбонових кислот (ЦТК, цикл лимонної кислоти – ЦЛК, цитратний цикл, цикл Кребса) – це загальний кінцевий шлях катаболізму головних паливних молекул (вуглеводів, ліпідів, білків).

ЦТК – це циклічний процес, 8 реакцій якого локалізовані у мітохондріях еукаріот. Практично всі ферменти знаходяться в матриксі мітохондрій у вільному стані, лише один зв’язаний з внутрішньою мембраною, тобто вбудований у біліпідний шар – це сукцинатдегідрогеназа. У прокаріот реакції ЦТК відбуваються у цитозолі.