2.6. Анаболизм. Катаболизм. Макроэргические соединения (атф,утф,цтф, креатин-фосфат), химическое строение, биологическая роль.

АТФ – является макроэргическим соединением, содержащим макроэргические связи; при гидролизе концевой фосфатной связи выделяется около 20 кдж/моль энергии.

К макроэргическим соединениям относятся ГТФ, ЦТФ, УТФ, креатинфосфат, карбамоилфосфат и др. Они используются в организме для синтеза АТФ. Например, ГТФ + АДФ  ГДФ + АТФ

Этот процесс называется субстратное фосфорилирование – экзоргонические реакции. В свою очередь все эти макроэргические соединения образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, энергия АТФ используется для совершения различных видов работ в организме:

- механической (мышечное сокращение);

- электрической (проведение нервного импульса);

- химической (синтез веществ);

-осмотической (активный транспорт веществ через мембрану) – эндергонические реакции.

Таким образом, АТФ- главный, непосредственно используемый донор энергии в организме. АТФ занимает центральное место между эндергоническими и экзергоническими реакциями.

В организме человека образуется количество АТФ, равное массе тела и за каждые 24 часа вся эта энергия разрушается. 1 молекула АТФ «живет» в клетке около минуты.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счет энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ – универсальная «энергетическая валюта».

Каждая клетка обладает электрическим зарядом, который равен

[АТФ] + ½[АДФ]

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Если заряд клетки равен 0,8-0,9, то в клетке весь адениловый фонд представлен в виде АТФ (клетка насыщена энергией и процесс синтеза АТФ не происходит).

По мере использования энергии, АТФ превращается в АДФ, заряд клетки становится равным 0, автоматически начинается синтез АТФ.

Катаболизм – процесс расщепления органических веществ до конечных продуктов (СО₂ , Н₂О и мочевины). В этот процесс включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток.

Процессы катаболизма в клетках организма сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате реакций катаболизма происходит выделение энергии (экзергонические реакции), которая необходима организму для его жизнедеятельности.

Анаболизм – синтез сложных веществ из простых. В анаболических процессах используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).

3.6.Цикл трикарбоновых кислот (цтк). Последовательность реакций. Связь с процессами окислительного фосфорилирования. Понятие о субстратном фосфорилировании. Энергетический эффект. Функции цтк.

Цикл Кребса открыт Гансом Кребсом в 1937г. (цикл трикарбоновых кислот), за открытие этого цикла Кребс в 1953г. получил Нобелевскую премию.

В ЦТК включается ацетил-КоА, который образуется в результате окисления жирных кислот, отдельных аминокислот и др. Некоторые метаболиты (глюкоза, глицерин и др.) превращаются в ПВК, из которой образуется ацетил-КоА в процессе окислительного декарбоксилирования:

пируватдегидрогеназный

комплекс

П ВК ацетил-КоА

НАД (РР), ФАД (В2), ТДФ (В1),

HS- КоА (В3), липоевая кислота

Функции ЦТК.

• Интегративная функция (объединяющая обмен белков, жиров и углеводов через образование ацетил-КоА).

• Водородгенерирующая функция – образуется 4 пары протонов Н+.

• Энергетическая функция – образуется 1 молекула АТФ между сукцинил-КоА и сукцинат (субстратное фосфорилирование).

• Анаболическая (пластическая) – метаболиты ЦТК используются для синтеза других веществ:

- ацетил-КоА – в синтезе холестерина и его производных (желчных кислот, стероидных гормонов, провитамина Д₃), высших жирных кислот, кетоновых тел, ацетилхолина и др;

- α-кетоглутаровая кислота – глутаминовая, глутамин, ГАМК, пролин, аргинин;

- сукцинил-КоА – гем;

- СО₂ – глюкоза, высшие жирные кислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды;

- фумаровая кислота – в синтезе мочевины;

- ЩУК – аспарагиновая кислота, аспарагин, глюкоза, метионин, треонин.

Субстраты ЦТК: изоцитрат, α-кетоглутарат и малат отдают протоны и электроны на НАД-зависимые дегидрогеназы, которые транспортируют протоны и электроны в ЦПЭ на I комплекс, следовательно протоны и электроны проходят все три пункта сопряжения (I, III, IV комплексы). Коэффициент окислительного фосфорилирования для:

- изоцитрат – 3/1=3АТФ;

- α-кетоглутарат – 3/1=3АТФ; 9АТФ в ЦПЭ

- малат – 3/1=3АТФ

Субстрат ЦТК: сукцинат отдает протоны и электроны на сукцинат-фумарат-дегидрогеназу (II комплекс), которая переносит протоны и электроны на убихинон, минуя I комплекс ЦПЭ, следовательно, электроны проходят два пункта сопряжения (III, IV комплексы).

Коэффициент окислительного фосфорилирования для сукцинат – 2/1=2АТФ.

Между сукцинил-КоА и сукцинат образуется 1 молекула АТФ (субстратное фосфорилирование).

Энергетический баланс ЦТК= 9АТФ (ЦПЭ) + 2АТФ (ЦПЭ) + 1АТФ (субстратное фосфорилирование) = 12 молекул АТФ.

4.6. Биологическое окисление, особенности. Структурная организация дыхательной цепи. Последовательность расположения комплексов. Структура и роль их компонентов (ФМН, убихинон, цитохромы). Понятие о редокс-потенциалах.

Биологическое окисление – совокупность протекающих в каждой клетке ферментативных процессов, в результате которых молекулы углеводов, жиров и аминокислот расщепляются, в конечном счете, до углекислоты и воды, а освобождающаяся энергия запасается клеткой в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и затем используется в жизнедеятельности организма (биосинтез молекул, процесс деления клеток, сокращение мышц, активный транспорт, продукция тепла и др.).

Особенности биологического окисления:

4. Протекает при температуре тела;

5. В присутствии Н₂О;

6. Протекает постепенно через многочисленные стадии с участием ферментов-переносчиков, которые снижают энергию активации, происходит уменьшение свободной энергии, в результате чего энергия выделяется порциями. Поэтому окисление не сопровождается повышением температуры и не приводит к взрыву.

Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в АТФ, а часть рассеивается в виде тепла. Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нем участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего переносчика и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление О₂ и синтез Н₂О. Убихинон - кофермент Q. Это небелковый переносчик. Он является жирорастворимым соединением. Структура КоQ сходна с витаминами К, Е. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя ē и протоны от НАДН-дегидрогеназы (I комплекс), сукцинат-фумаратдегидрогеназы (II комплекс) и ФАД- зависимых дегидрогеназ, он обратимо восстанавливается в гидрохинон (QН₂).Содержание убихинона значительно превосходит количество других компонентов ЦПЭ. Например, на 1 молекулу НАД⁺ приходится 50молекул КоQ.От убихинона происходит транспорт только электронов на цитохромы. Цитохромы имеют ряд особенностей: 1)Цитохромы в ЦПЭ располагаются в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала); 2)Железо в цитохромах способно изменять свою степень окисления, поэтому цитохромы в ЦПЭ транспортируют только электроны. В транспорте двух электронов принимают участие две молекулы каждого вида цитохромов, так как одна молекула цитохрома может переносить только один электрон.

5.6.Окислительное фосфорилирование. Сопряжение окисления (дыхания) и фосфорилирования (теория Митчелла).Vкомплекс-АТФ-аза. Коэффициент окислительного фосфорилирования Р/О. Дыхательный контроль. Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, их транспорт по ЦПЭ к кислороду сопровождается относительно большим снижением свободной энергии.

В ЦПЭ можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Это количество свободной энергии необходимо для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование).

Процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием.

Механизм сопряжения окончательно не выяснен, наиболее обоснованной является хемиосмотическая теория Митчелла, предложенная в 1961г.

Перенос электронов по ЦПЭ от НАДН к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана не проницаема для протонов.

Таким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несет положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд – на внутренней стороне, положительный заряд – на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН⁺ - источник энергии для синтеза АТФ.

Энергия электрохимического потенциала (ΔμН⁺) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы (V комплекс).

Наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН⁺ происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III, IV. Эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, где и происходит синтез АТФ.