3 Этап. Цикл Кребса (цикл ди- и трикарбоновых кислот)

Цикл Кребса – это специфический цикл химических реакций, главными компонентами которого является:

1)Дикарбоновые кислоты:

*Щавелевая кислота : НООС—СООН

ОН

|

*Яблочная кислота (малат) НООС—СН—СН₂—СООН

*Янтарная кислота (сукцинат) НООС— СН₂— СН₂—СООН

*Фумаровая кислота (фумарат) НООС— СН═ СН—СООН

О

║

*α-кетоглутаровая (2-оксоглутаровая) кислота НООС—С— СН₂— СН₂—СООН

2)Трикарбоновые кислоты:

ОН

|

*Лимонная кислота (цитрат): НООС—— СН₂— СН— СН₂—СООН

|

СООН

*Изолимонная (изоцитрат): НООС—СН— СН— СН₂—СООН

| |

ОН СООН

*Цис-аконитовая кислота: НООС—СН═ С— СН₂—СООН

|

СООН

Суммарная схема цикла Кребса:

О

║

H₃C— C ~ S—КоА +Н₂О→2СО₂+8Н

Цикл Кребса работает в аэробных условиях, ферменты его (метаболон) расположены между поверхностями внутренней мембраны митохондрий (в кристах). В цикле Кребса происходят процессы дегидрирования (отщепление Н), декарбоксилирования (реакции выделения СО₂), гидратации (отсоединение Н₂О), дегидратации (отщепление Н₂О), реакции синтеза АТФ.

4 Этап. Окислительная цепь ферментов (дыхательная цепь)

Основным источником энергии являются атомы водорода, выделившиеся в цикле Крепса. Каждая пара атомов водорода отдает энергию на синтез 3 молекул АТФ, при этом атомы Н₂ ионизируются и по цепи ферментов передаются в дыхательную цепь. В дыхательной цепи атомы водорода превращаются в электроны и взаимодействуют с О₂ с образованием воды. У здорового чела в дых.цепи в сутки обр-ся ≈ 1 литр воды и выделяется 2/3 всей необходимой орг-му энергии в виде АТФ.

Взаимосвязь процессов обмена веществ.

Все превращения органических веществ, процессы анаболизма и катаболизма тесно связаны друг с другом. В частности, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, подчиняющийся диалектическим закономерностям взаимозависимости и взаимообусловленности, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.

Особое значение взаимосвязь жиров, белков, углеводов имеет для обеспечения их взаимопревращений. Большинство реакций обмена веществ в организме является обратимыми, направление их зависит от концентрации субстратов, продуктов и других условий. Обратимыми являются и некоторые этапы обмена веществ. Обратимость отдельных этапов обмена веществ и наличие единых промежуточных продуктов обмена жиров, белков, углеводов и лежит в основе взаимопревращений этих веществ. Так, наряду с распадом гликогена в организме может протекать процесс его синтеза не только из глюкозы и промежуточных продуктов углеводного обмена (пировиноградной, молочной кислот), но и из промежуточных продуктов жирового и белкового обмена.

Наиболее просто происходит в организме взаимопревращение углеводов и жиров. В условиях истощения углеводных ресурсов организма жиры начинают энергично использоваться в качестве источника энергии. При этом жирные кислоты или непосредственно используются тканями, или превращаются в печени в кетоновые тела, которые поступают в кровь и также утилизируются тканями в качестве энергетического субстрата. Из другого продукта мобилизации жира - глицерина образуется глюкоза, которая, поступая в кровь, обеспечивает энергетическим сырьем ткани, предпочитающие глюкозу другим субстратам.

При избыточном поступлении в организм углеводов они могут превращаться в жиры. При этом глицерин образуется из промежуточного продукта гликолиза- фосфоглицеринового альдегида, а непосредственным сырьем для синтеза ж.к. является ацетил КоА , образовавшийся при распаде углеводов .

Значительно сложнее обстоит дело с образованием аминокислот из продуктов углеводного и жирового обмена. Часть аминокислот организма вообще не способен образовывать из других веществ, другие могут быть синтезированы. Но для этого требуется включить в их состав аминогруппу. Источником аминогруппы могут служить другие аминокислоты или свободный аммиак , в свою очередь , образующийся при дизаминировании аминокислот. Т.о. взаимосвязь обмена углеводов, жиров, белков и их взаимопревращения имеет чрезвычайно важное значение для организма человека и животных. Также это обеспечивает возможность создания в организме запаса энергетических субстратов при любом характере питания. Наличие углеводных депо, возможность образования углеводов из продуктов не углеводной природы играет чрезвычайную роль в жизни человека. Благодаря этому обеспечивается относительное постоянство концентрации глюкозы в крови и непрерывное снабжение ею тканей, использующих глюкозу в качестве основного энергетического субстрата (мозговые ткани, почки, эритроциты и пр.).

12

Живой организм как объект для ТД исследований

Превращение энергии, происходящее в процессе обмена веществ в живом организме, являющиеся предметом изучения биоэнергетики, осуществляется в полном соответствии с 1и 2 началом термодинамики. Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живой системы в такое состояние означает для нее смерть.

Живой организм имеет ряд особенностей..1) Живой организм представляет собой типично открытую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой и вещ.и энергией.I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой.dE = Q + A

II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим.ΔG=ΔH-TΔSΔH-изменение энтальпии(теплоты), Т-абсолютная температура..это к живым организмам не мыслимо без учета влияния биологическизх закономерностей, присущих высшим формам движения материи. Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение

Все биологические процессы происходящие в клетках живых организмов, протекают в условиях постоянстватемпературы и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций(Н+), резких изменений объема.

Итак живой органгизм являеся открытой термодинамической системой.осн.ист.энергии для него является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах,часть которой расходуется:-на совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением перемещением метаболитов, секреции соков.-на нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи,-на покрытие потерь теплоты в окружающую среду при непосредственной радиации, при испарении влагис поверхности тела, с выдыхаемым воздухоми продуктами жизнед-ти.-на совершение внешной работы, связанной со всеми перемещениями организма. В класс.термодинамике основопологающими являются представления об изол.системе и устанавливащемсяв нем равновесном состоянии.

Биоэнергетика имеет дело с живыми организмами, являющимися примером открытых систем, и здесь вводят представлеие о стационарном состоянии открытой системы. Для него характерно постоянство параметров системы, не изменилась во времени скорость притока и удаления веществ и энергии.

Живой организм в каждый данный момент не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, рассматривая среднее значение его параметров за сравнительно б. промежуток времени, можно отметить их относительное постоянство и тем самым оправдать приложение понятия стационарная система к живым организмам.

Открытая система в стационарном состоянии во многом сходна с системой, находящейся в термодинамическом равновесии. Для них наблюдается неизменность свойств системы во времени. Это сходство подчеркивается еще и тем, что к стац. Открытым системам, так же как равновесным, приложен принцип Ле Шателье. Если в стационарной системе изменить какой-либо из параметров, определяющих ее постоянство (темп,давл,энтропию), то в системе возникают процессы, способствующие изменению произведенного воздействия точно также , как это наблюдается в случае равновесной термодинамической системы.. различия между типами систем: Термодинамическое равновесие: отсут.обмена с окр.средой вещ-м и эн.; полное отсутствие в системе каких либо градиентов; энтропия постоянно максимальна в данных условиях; для поддержания равновесия не нужна эн. Гиббса.; сист.не способна совершать работу против внешних сил и нереакционноспособность. Скорости процессов во всех направлениях равны.. Стационарное состояние: непрерывный обмен; наличие пост по величине градиентов; энтропия системы постоянна, но не максимальна; для поддержания стац. Сост. Необходимы постоянные затраты энергии гиббса.; работоспособность систе постоянна и не равна 0;скорости не равны.

Общее изменение энтропии открытой системы за промежуток времени можно рассматривать как сумму 2 слогаемых:

1)производства энтропии внутри системы ds(i)/dt(i-внутренний)обусловлено протеканием в ней необратимых процессов(деструкция сложных молекул вещ пищи и образование из них большого кол-ва простых молекул-СО2, Н2О и др.с более прочными связями между атомами)

2) изменение энтропии ds(е)/dt (е-внешний) обусловлено взаимодействием открытой системы с окружающей средой(разница между поступлением энтропии в систему с пищей и отводом ее в окружающую среду с продуктами жизнед-и): ds/dt= ds(i)/dt+ ds(е)/dt.

Изменению энтропии системы отвечает противоположное по знаку изменение свободной энергии Гиббса: dG/dt= dG(i)/dt+ dG(i)/dt/ эти уравнения явл. Математическим выражением 2 нач.терм. для открытых систем.для живого организма рассматриваемого в совокупности с окр. Средой, возможно либо увеличение энтропии(ds/dt>0) и уменьшение свободной энергии (dG/dt<0)- если эта система не достигла стац сост.,либо отсутствие изменения этих величин(ds/dt=0 и dG/dt=0)- если стац сост.и мы получим: ds(i)/dt= - ds(е)/dt и dG(i)/dt=- dG(i)/dt

Следовательно стац состояние живого организма характер тем, что производство энтропии, связанное с процессами усвоения пищи, компенсируется отдачей ее в окружающую среду, а убыль свободной энергии выполняется за счет поступления энергии из окруж среды: S,G=const

В 1946 бельгийский ученый Илья Пригожин исходя из общей теории необратимых процессов, доказал одну из основных теорем термодинамики открытых систем: в стац. Термодинамически открытой системе скорость производства энтропии, обусловленного протеканием в ней необратимых процессов, принимает минимальное для данных условий положительное значение: ds(i)/dt->0 / поскольку энтропия является мерой деградации или рассеяния энергии, теорема Пригожина приводит к заключению: при стац. Состоянии рассеяние своб энергииоткрытой состемы оказывается минимальным. Т.о живой организм, представляющий собой открытую стационарную систему, поставлен природой в весьма выгодные с точки зрения энергообеспечения условия: поддержание относительного постоянства его внутренней среды, наз гомеостазом, требует минимального потребления свободной энергии.

В процессе усвоения пищи происходит деструкция высокомолекулярных соединений, что связано с производством энтропии. Воздействие факторов, нарушающих установившееся стац состояние в направлении увеличения энтропии, должно повлечь,возникновение в системе процессов, направленных на уменьшение энтропии(производство негэнтропии). Гл из этих процессов является синтез в организме так называемых высокоэнергетических макроэнергетических веществ типа АТФ, фосфокреатина. Ти вещества отличаются сложной структурой много атомных молекул, низким значением энтропии, и значительными запасами свободной энергии в весьма подвижной форме. Синтезируя макроэргические вещества, живой организм как бы сглаживает увеличение энтропии, стабилизируя ее на более низком уровне, чем это могло бы быть, еслиб не было протевопоставлено производство негэнтропии. Т.о живой организм, как и всякая открытая стац система, проявляет способность к саморегулированию. Итак с точки зрения термодинамики наиболее существенным свойством живых существ является устойчивая термодинамическая неравновесность и способность поддерживать еена определенном уровне.

Вопрос номер 13

Макроэргические соединения и макроэргические связи. Примеры. Природа макроэргических связей.

Каждое органическое соединение входящее в состав живой материи, обладает запасом потенциальной энергии(св.эн). носителем ее являются химические связи, при переобразовании которых ур.. св.эн соединения изменяется. Соединения при гидролизе(преобразовании) которых изменение свободной энергии составляет 25-50кДж/моль., наз. Макроэнергетическими, а связи, при преобразовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе вещества, -макроэнергетическими связями(изменение свободной энергии при возникновении или распаде нормальной свяли составляет около 12-13 кДж/моль)связи обозначаются знаком волна.,связь длиннее, больше протонов электрона. М,с. Представлены преимущественно сложноэфирными( тиоэфирными, фосфатоамидными). Почти все м.с. содержат атомы фосфора и серы, по месту которых в молекуле локализованы макроэнергетические связи. Особая рольатомов серы и фосфора в образовании м.э. объясняетсясл. Прич:1)хим.св, свойственные элементам 3периода, слабее, чем связи, характерные для элементов 2 периода.2) атомы серы и фосфора образуют более 4-х ковалентных связей,3) только сера и фосфор в 3 периоде сохраняют способность к замыканию кратных связей. Именно та энергия,к-я высвобождается при разрыве м.с, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем св.энергии, чем исходные. В то же время запасы м. вещ.в организме постоянно пополняется путем аккумулирования энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распад-ся соед-й.т,о м.э.в-ва. выполняют ф-ю и доноров и акцепторов энергии в обмене веществ, они служат как аккумуляторами так и проводниками энергии в биохимическом процессе.им свойственна роль трансформаторов энергии.т.к они способны преобразовывать стационарную форму энергии хим.связи в мобильную(в энергию возб состояния молекулы). Последний вид энергии и служит непосредственным источником реакционной способности молекул, преобразуясь снова в стацианарную форму энергии хим связи, он энергетически обеспечивает видоизменение веществ, их преобразование,те их обмен в организме.АТФявляется универсальным источником энергии.присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах накопления и превращения энергии. К М. с. относятся главным образом аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и вещества, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса преимущественно фосфатных групп. Все известные М. с. содержат фосфорильную (— PO2-3 или ацильную группу и описываются формулой X-Y=O, где Х — атом N, О, S или С, а Y — атом Р или С. Реакционная способность М. с. связана с повышенной электрофильностью (сродством к электрону) атома Y, что обусловливает, в частности, высокую свободную энергию гидролиза М. с., равную 25,1—58,6 кдж/моль (6—14 ккал/моль). К М. с. относятся также нуклеозидтри- (или ди)-фосфорные кислоты, пирофосфорная и полифосфорная кислоты, креатинфосфорная, фосфопировиноградная, дифосфоглицериновая кислоты, ацетил- и сукцинилкоферменты А, аминоацильные производные адениловой и рибонуклеиновых кислот и другие. М. с. связаны между собой ферментативными реакциями переноса фосфорильных групп, причём промежуточным продуктом обычно служит АТФ — кофермент многих ферментативных реакций. В целом биологическое значение АТФ и связанных с ней М. с. обусловлено их центральным положением на пересечении путей обмена веществ и энергии: они обеспечивают осуществление различных видов работы, играют ответственную роль в фотосинтезе, биолюминесценции, в биосинтезе белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других природных соединений.

Роль АТФ в энергетическом обмене

Энергетический обмен – совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена – снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности

Этапы энергетического обмена: подготовительный, бескислородный, кислородный.

1) Подготовительный – расщепление в лизосомах полисахаридов до моносахаридов, жиров до глицерина и жирных кислот белков до аминокислот, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Рассеивание в виде тепла небольшого количества освобождаемой при этом энергии;

2) бескислородный – окисление веществ без участия кислорода до более простых, синтез за счет освобождаемой энергии двух молекул АТФ Осуществление процесса на внешних мембранах митохондрий при участии ферментов;

3) кислородный – окисление кислородом воздуха простых органических веществ до углекислого газа и воды, образование при этом 36 молекул АТФ. Окисление веществ при участии ферментов, расположенных на кристах митохондрий. Сходство энергетического обмена в клетках растений, животных, человека и грибов – доказательство их родства.

Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Все это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения.

Помимо энергетической АТФ выполняет в организме ещё ряд других не менее важных функций:

Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот. Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.

АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала. Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах.

Общая характеристика важнейших классов биоорганических соединений.

Кислоты, основания и соли. Кислотами называются соединения, которые в воде диссоциируют с высвобождением ионов водорода (Н+). Эти ионы определяют характерные свойства сильных кислот: кислый вкус и способность взаимодействия с основаниями. Основания - это вещества, которые в воде диссоциируют с высвобождением гидроксид-ионов (ОН-). Солями называют ионные соединения, образующиеся при взаимодействии кислот и оснований:

Методы биохимических исследований