Основы биоэнергетики
Понятие об обмене веществ. Регуляция метаболизма. Методы изучения обмена веществ.
Биологическое окисление. Теории окисления. Дыхательная цепь митохондрий: строение, принцип действия. Окислительное фосфорилирование.
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).
Согласно философским представлениям, жизнь – это форма существования материи, характерной особенностью которой является обмен веществ с окружающей средой. Известно, что в каждой клетке протекает множество химических реакций, совокупность которых называют обмен веществ (метаболизм). Однако клетка – это не мешок, в котором находятся реакции, а система.
Обмен веществ (МЕТАБОЛИЗМ) – высоко координированная и целенаправленная клеточная активность, обеспечиваемая участием многих взаимосвязанных ферментных систем.
Функции обмена веществ:
1) снабжение организма химической энергией, которая образуется путем расщепления сложных биомолекул (у гетеротрофов) или благодаря улавливанию солнечного света (у автотрофов).
2) превращение молекул пищи в строительные блоки, которые в дальнейшем используются для построения новых биомолекул.
3) сборка из строительных блоков белков, нуклеиновых кислот, липидов и т.д. для существования организма.
4) синтез и разрушение специфических биомолекул (биомолекул, которые выполняют специфические функции).
Поступившие вещества в процессе обмена веществ подвергаются различным превращениям, образуя цепи биохимических реакций. Совокупность последовательных биохимических реакций, характеризующих определенный процесс, называется метаболическим путем. Молекулы, участвующие в процессах метаболизма, называют метаболитами.
В классической биохимии метаболические пути разделяются на два типа: катаболические (катаболизм) и анаболические (анаболизм, биосинтез).
КАТАБОЛИЗМ (диссимиляция у растений) – ферментативное расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Катаболизм всегда протекает с выделением энергии, значительная часть которой запасается в форме высокоэнергетических соединений (АТФ, ГТФ, креатининфосфат и т.д.).
Макроэргические соединения – химические соединения, которые содержат в химических связях много энергии, при этом эти связи могут легко разрываться с высвобождением энергии (АТФ, ГТФ, креатининфосфат).
АНАБОЛИЗМ (ассимиляция у растений) – ферментативный синтез крупных молекул из простых метаболитов. Поскольку в процессе биосинтеза усложняется структура, то процесс происходит с поглощением энергии.
Таким образом, обмен веществ состоит из двух взаимно противоположных процессов, которые протекают в клетке одновременно, однако их скорости регулируются независимо друг от друга. Каждой ферментативной реакции сопутствует превращение энергии.
Известно, что зеленые растения усваивают квант света – их называют автотрофы, а животные организмы нуждаются в готовой энергии – их называют гетеротрофы. При распаде крупных молекул выделяется свободная энергия, которая может быть использована для выполнении работы при постоянной температуре и давлении. Данная энергия обычно называется тепловой и не может быть использована для механической работы (мышечное сокращение), т.к. тепло может производить механическую работу при переходе от более нагретого тела к менее нагретому, а в организме таких условий нет из-за гомеостаза (изотермия – постоянная температура тела). В связи с этим свободная энергия частично используется для поддержания постоянной температуры тела, а частично превращается (преобразуется, аккумулируется, запасается) в химических связях макроэргических соединений (ГТФ, АТФ и т.д.). Наиболее значимую роль играют молекулы АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты, которые способны в двух макроэргических связях запасти более 60 кДж энергии, доступной для биосинтеза.