Биохимия пособие Коновалова 2012

поступления продуктов переваривания пищи во внутреннюю среду Манизма: водорастворимые компоненты поступают в печеночную адьную систему и в печень; жирорастворимые вещества поступают лИмФатичеСКИе С0СУДЫ и затем в кровь через грудной лимфатический

проток.

Лекция 7

БИОЭНЕРГЕТИКА. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ, ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ

1. Определение биоэнергетики

Биоэнергетика изучает энергетические превращения, сопровож­ дающие биохимические реакции.

Известно, что небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии. Биологические системы функционируют при постоянной температуре и для осуществления процессов жизнедеятель­ ности используют химическую энергию.

Превращения молекул происходят в соответствии с химическими законами. Однако сама возможность осуществления этих превращений и полнота их протекания зависят от количества энергии, получаемой системой. Для изучения энергетики процессов привлекают термодина­ мику.

2. Выяснить, можно ли использовать данную реакцию для совер шения полезной работы или же для осуществления реакции требуется энергия из внешнего источника.

Основные начала термодинамики формулируются с помощью эн­ тальпии, энтропии и свободной энергии.

Основные начала термодинамики

Энтальпия Н —полная энергия соединения.

Свободная энергия Гиббса G —энергия, которая может быть переведена в работу.

Энтропия S характеризует меру упорядочивания системы: чем меньше упорядочена система, тем энтропия выше.

AG=AH - TAS, Т - абсолютная температура.

101

Свободная энергия, используемая клеткой на работу, меньше полной энергии на величину энтропии, т.е. энергия расходуется на усиление беспорядочного движения молекул в системе.

Рассмотрим реакцию:

А—<-В

AG = GB - GA

1) GB > GA AG (+)

Свободная энергия в ходе реакции возрастает, реакция протекает с поглощением энергии. Следовательно, требуется дополнительный источник энергии - эндергоническая реакция.

2 ) GB <G A ДО(-)

Эта реакция может протекать спонтанно с выделением энергии - экзергоническая реакция. Знак (-) показывает, что в систему не нужно добавлять энергию.

3) GB = GA AG=0

Это равновесная реакция.

Главное назначение энергии, генерируемой в биологических системах, заключается в поддержании организма в состоянии, удаленном от равновесия. Например, клетки содержат большие количества полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот при относительно малой концентрации их составных частей - т.е. глюкозы, аминокислот и т.д.

2. Сопряжение экзергоиических и эндергонических реакций (аккумуляторы энергии)

Катаболические превращения (распад и окисление молекул) обычно являются экзергоническими реакциями. Анаболические реакции (реакции синтеза) - эндергонические. В организме эндергонические реакции протекают сопряжено с экзергоническими. Механизм сопряжения состоит в синтезе соединения с высоким энергетическим потенциалом в ходе экзергонической реакции и последующем включении этого нового соединения в эндергоническую реакцию. Следовательно, должен быть этап аккумуляции, т.е. накопления энергии.

В живых клетках главным аккумулятором энергии служит АТФ. Реакции сопряжения могут быть подразделены на 2 группы:

1.Происходящие в немембранных отделах клетки.

2.Локализованные в мембранах.

102

столько энергии при стандартных условиях освобождается при гидролизе АТФ или столько же энергии нужно для синтеза АТФ из

АДФ и Рн.

Все макроэргические соединения можно разделить на 3 группы: 1. Богатые энергией фосфаты.

АТФ

2.Богатые энергией тиоловые эфиры, образуемые коферментом А (ацетил-КоА), ацилпереносящий белок, S-аденозилметионин и др.

3.НАДФН2 - аккумулятор энергии электронов в цитозоле, обес­

печивает электронами и протонами процессы восстановительного био­ синтеза. ,

В процессах метаболизма исключительно важную роль играют высокоэнергетические фосфаты, к которым относится АТФ. По величине энергии гидролиза они образуют непрерывный Ряд - термодинамическую шкалу.

103

Термодинамическая шкала химических соединений

Вывод: АТФ занимает в шкале среднее положение.

Среднее положение АТФ в термодинамической шкале позволяет ей служить донором высокоэнергетического фосфата для тех соединений, которые в шкале стоят ниже АТФ и забирать его от соединений, стоящих выше.

Цикл АТФ/АДФ

Эндергоническая реакция:

Экзергоническая реакция:

Таким образом, цикл АТФ/АДФ связывает процессы, генерирую­ щие макроэргические фосфаты, с процессами, их потребляющими.

В клетке синтез АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ, т.е. АДФ + Рн —> АТФ. В зависимости от того, что служит источником энергии для этой эццергонической реакции, фосфорилирование бывает 3-х типов:

1.Окислительное - свободная энергия генерируется в дыхатель­ ной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях.

2.Субстратное - синтез АТФ идет за счет использования энергии макроэргических соединений, стоящих в термодинамической шкале выше АТФ.

3.Фотосинтетическое —с использованием энергии Солнца в про­ цессе фотосинтеза.

Вывод: АТФ —универсальный аккумулятор энергии.

АТФ - универсальный источник энергии. Ее энергия исполь­ зуется в следующих процессах:

104

большого размера.

2Для выполнения мышечной (механической) работы.

3Для переноса веществ через мембраны против градиента их ннентрации (первичный активный транспорт).

К° 4. Для обеспечения точной передачи информации.

Существуют 2 пути гидролиза АТФ:

1.АТФ + Н20 —* АДФ + Рн.

2.АТФ + Н20 —>АМФ + пирофосфат Н4Р2 О7 .

Первый путь гидролиза происходит в следующих случаях:

- для сопряженных эндергонических реакций нужно 30,5 или меньше кДж/моль энергии;

_ для обеспечения процессов, требующих намного больше энер­ гии, чем 30,5 кДж/моль. При этом используется энергия многих молекул АТФ.

Вреакциях, когда потребность в энергии лишь несколько больше 30,5 кДж/моль, гидролиз АТФ происходит по второму пути.

Вбольшинстве клеток имеется фермент аденилаткиназа. Она катализирует обратимую реакцию.

АТФ + АМФ 0 2 АДФ

Эта реакция выполняет 3 функции:

1.Позволяет синтезировать АТФ из АДФ.

2.Позволяет превратить АМФ, образующийся в ходе ряда реак­ ций активации, в АДФ.

3.В условиях снижения концентрации АТФ (накапливается АДФ), происходит повышение концентрации АМФ, который служит аллостерическим активатором ряда катаболических реакций. В резуль­ тате увеличивается генерация АТФ.

Существуют еще другие макроэргические соединения, построенные по типу АТФ, они обеспечивают энергией ряд биосинтезов:

-УТФ - синтез углеводов.

-ГТФ —синтез белков.

-ЦТФ - синтез липидов.

2.2. Сопрягающие мембраны

Преобразование энергии в биомембранах описывается схемой:

энергетические ресурсы —►Дм/ —>работа,

1 0 5

где Др1 - трансмембранная разность электрохимических потен­ циалов иона I.

Схема означает, что энергетические ресурсы, потребляемые мем­ браной, сначала используются для транспорта иона через мембрану против сил электрического поля и против градиента концентрации иона. Этот процесс называется энергизацией мембраны. Затем энергия, нако­ пленная в электрической и осмотической формах (Др1), используется для совершения работы.

Ион I называют сопрягающим ионом. Во внутренней мембране митохондрий таким сопрягающим ионом служит Н+. В плазматической мембране сопрягающим ионом служит Na+.

Каждая сопрягающая мембрана содержит белковые ансамбли двух типов. Один из них —АТФ —синтаза, т.к. он катализирует энергозависимый синтез АТФ из АДФ и Рн. Второй белковый ансамбль во внутренней мембране митохондрий представлен дыхательной цепью ферментов.

Энергия АрН* может использоваться в следующих процессах;

1.Обратимо превращаться в энергию АТФ (химическая работа);

2.ДЛя вторичного активного транспорта через мембрану веществ против градиента их концентрации (осмотическая работа);

3.Образование теплоты при понижении температуры окружаю­ щей среды (теплопродукция);

4.У бактерий за счет энергии ДрН+ вращается жгутик (механи

ская работа).

3. Биологическое окисление и пути использования 0 2

Реакции, включающие перенос электронов, называют окислительно-восстановительными.

Потеря электрона — это окисление, принятие электрона - восстановление.

Окисление органических соединений во многих случаях означает отнятие водорода (дегидрирование).

При окислении протоны и электроны могут независимо отделяться от окисляемой молекулы. В других случаях механизм окисления может включать перенос протона вместе со связанным с ним электроном, т.е. в виде водорода, или протона со связанной парой электронов, т.е. гидрид-иона.

Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется величиной редокс-потенциала. Чем меньше редокспотенциал, тем легче вещество теряет электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал, тем сильнее

106

принимать электроны, т.е. сильнее выражены сЯ°с0°НеЯЪНЫе свойства. Молекула может отдавать свои электроны оКисЯИТ^олекуЛам с более высоким редокс-потенциалом. Т.е. если будет т0льК° бдительно-восстановительных реакций, ее участники будут

дификация молекул, свободнорадикальное окисление).

Назначение биологического окисления:

1) Извлечение энергии из различных соединений (тканевое дыха­

ние).

2)Разрушение или обезвреживание ксенобиотиков (пероксидаз­ ное, оксигеназное окисление).

3)Биосинтезы (гидроксилазное).

4)Изменение проницаемости мембран, окислительная модифика­ ция молекул.

4. Общая характеристика ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные ре-

акции, относятся к 1 классу - оксидоредуктазы. Их разделяют на 5

фупп:

1 ■ Оксидазы - катализируют удаление водорода из субстрата, ис­ пользуя в качестве акцептора водорода только 0 2. Содержат Си, про­ ектом реакции является Н20 (искл. моноаминооксидаза - Н20 2), на­

107

пример, цитохромоксидаза.

2.Аэробные дегидрогеназы —в отличие от оксидаз могут ис­ пользовать в качестве акцептора не только 0 2, но и искусственные ак­ цепторы - например, метиленовый синий, являются флавопротеинами, образуется Н2О2.

3.Анаэробные дегидрогеназы —не способны использовать 0 2в

качестве акцептора. Бывают НАД-зависимыми, ФАД и ФМНзависимыми, цитохромы.

4.Гидроксипероксидазы - в качестве субстрата используют Н20 2 или органические перекиси. К ним относят пероксидазы, каталазы.

5.Оксигеназы —катализируют прямое введение 0 2 в молекулу субстрата.

5. Тканевое дыхание

Тканевое дыхание —это процесс улавливания клеткой энергии в виде АТФ при протекании контролируемого соединения кислорода с водородом с образованием воды.

Характерные черты тканевого дыхания

1.Это часть биологического окисления, где субстрат окисля­ ется путем дегидрирования, акцептором водорода служит кисло­ род, в результате образуется вода, проходит в митохондриях.

2.Водород в виде восстановительных эквивалентов перено­ сится на кислород через дыхательную цепь.

3.Энергия окисления используется для синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.

Рассмотрим каждое положение подробно.

5.1.Митохондрии

Митохондрии - “энергетические станции” клеток. Здесь происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Освобождаемая при окислении энергия используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Большинство восстановительных эквивалентов в форме НАДН и ФАДН2 поставляют ЦТК и (3-окисление жирных кислот. Эти процессы локализованы в матриксе митохондрий. Матрикс митохондрий, кроме ферментов ЦТК, (3-окисления, содержит пируват-дегидрогеназную систему, другие ферменты, а также АТФ, АДФ, АМФ, фосфат, НАД*, НАДФ, кофермент А, К+, Mg*\ Са2+.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема почти для всех молекул и ионов небольшого размера. Внутренняя мембрана относится к сопрягающим мембранам. Здесь расположены ферменты

108

теЛъной цепи, АТФ-синтаза, различные мембранные транспортные Д ^ емь, Для большинства ионов небольшого размера, в том числе и

#+! она непроницаема.

5.2. Дыхательные цепи

Термин “дыхательная цепь” используют для определения последовательности реакций, ответственных за перенос атомов воДОрода или электронов в виде восстановительных эквивалентов от субстратов к молекулярному кислороду воздуха. В результате этого переноса образуется вода, т.е. происходит реакция:

2Н2+ 0 2 -> 2H20+Q

Эта экзергоническая реакция сопровождается в пробирке взрывом, т.е. выделяется большое количество энергии. В клетке этого не происходит, т.к. энергия выделяется не одномоментно, а по этапам - во время движения восстановительных эквивалентов по цепи. Термин “восстановительный эквивалент” — это обобщенное понятие для обозначения переноса электрона без уточнения, в какой форме он переносится. По дыхательной цепи перенос электрона совершается в различной форме: переносятся гидрид-ионы, водородные атомы и просто электроны.

Дыхательная цепь состоит из ряда белков-ферментов с прочно присоединенными простетическими группами, обладающими способностью присоединять и отдавать электроны и расположена во внутренней мембране митохондрий.

Эти белки располагаются в определенной последовательности (по возрастанию редокс-потенциала). Каждый из них способен присоединять электроны от предыдущего участника цепи и передавать их следующему участнику цепи. Электроны, поступающие в эту цепь переносчиков, богаты энергией, но по мере их продвижения по цепи они теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ.

Различают полную и укороченную дыхательную цепи.

Схема дыхательных цепей:

Sii,m —» НАД+—* ФМН —> кофермент Q—» в—»ci—^>с—>а аз—»02

1 0 9

Участники полной дыхательной цепи:

1.НАД-зависимые дегидрогеназы.

2.ФМН-зависимые дегидрогеназы.

3.Убихинон (кофермент Q).

4.Цитохромы.

Вукороченной дыхательной цепи нет НАД-зависимых дегидрогеназ, т.е. она короче на один фермент.

Окисляемые субстраты служат источниками восстановительных эквивалентов. Различают 3 рода субстратов:

1.Углеводородные (сукцинат, ацил-КоА). Средняя энергия окисления пары электронов этих субстратов 150 кДж/моль. Это

меньше, чем энергия окисления пары электронов в системе НАД4”/НАДН (200 кДж/моль). Поэтому НАД-зависимые дегидроге­ назы не могут участвовать в окислении этих субстратов. Они окис­ ляются ФАД-зависимыми дегидрогеназами, т.е. в укороченной ды­ хательной цепи.

2.Спиртовые (лактат). Средняя энергия отщепления пары электронов = 200 кДж/моль. Окисляются НАД-зависимыми дегид­ рогеназами, т.е. в полной дыхательной цепи.

3.Альдегидные (3-фосфоглицериновый альдегид), энергия отщепления пары электронов 250 кДж/моль. Это больше, чем тре­ буется для окисления НАД-зависимыми дегидрогеназами, поэтому при их окислении образуется не только НАДН, но и часть энергии используется для синтеза высокоэнергетических соединений.

5.3. Механизм переноса восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи

Внутренняя мембрана митохондрий, где расположены дыхатель­ ные цепи, относится к сопрягающим мембранам.

Рассмотрим механизмы переноса протонов и электронов по полной дыхательной цепи.

1. Окисление субстратов 2 и 3 рода НАД-зависимыми дегидроге назами.

Субстраты 2 и 3 рода располагаются в матриксе митохондрий и цитозоле. Здесь же располагаются и ферменты, их окисляющие. Это по строению сложные ферменты: пиридин-зависимые или НАД-зависимые дегидрогеназы, в качестве кофермента служит НАД или НАДФ. Они могут называться и по субстрату —малатдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа.

110