Тема 5.1. Взаимосвязь обмена веществ и энергии
Обмен веществ включает:
• поступление веществ в организм;
• метаболизм или промежуточный обмен;
• выделение конечных продуктов обмена (рис. 5.1).
Рис.
5.1. Этапы обмена веществ. Взаимосвязь
обмена веществ и энергии:
1 - пищеварение; 2, 4 - катаболизм; 3 - анаболизм; 5 - экзергонические реакции; 6, 7 - эндергонические реакции; 8 - выделение конечных продуктов
1. Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания, питания и пищеварения. При пищеварении происходит гидролиз полимеров (белков, углеводов, липидов) до мономеров, которые легко всасываются в кровь.
Метаболизм представляет собой совокупность двух разнонаправленных процессов: катаболизма и анаболизма. В процессе катаболизма сложные органические молекулы превращаются в конечные продукты: СО2, Н2О и мочевину. Анаболизм представляет собой совокупность реакций синтеза сложных полимеров.
Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции), а ее использование происходит в реакциях анаболизма и при выполнении различных видов работы (эндергонические реакции).
2. АТФ-AДФ цикл. Центральную роль в энергетическом обмене играет АТФ.
В высокоэргических связях АТФ аккумулируется энергия, выделяемая в процессах катаболизма. Энергия, выделяющаяся при окислении пищевых веществ, обеспечивает синтез АТФ из АДФ и Н3РО4, а энергия гидролиза АТФ, в свою очередь, используется в различных видах работы (рис. 5.2).
|
Рис.
5.2. Цикл АТФ-АДФ
За сутки в организме образуется и распадается около 60 кг АТФ. Однако в клетке АТФ не накапливается, а расходуется в течение 1 минуты после образования, что требует ее непрерывного пополнения (АТФ-AДФ цикл).
Синтез и использование АТФ происходят постоянно, и то количество АТФ, которое было израсходовано клеткой, восполняется в процессе ее синтеза.
Тема 5.2. Тканевое дыхание
Наиболее важными экзергоническими реакциями метаболизма являются реакции окисления органических веществ, в которых используется кислород и образуется вода и СО2. Совокупность этих реакций называтся тканевым дыханием (рис. 5.3).
Рис.
5.3. Этапы тканевого дыхания:
А - окисление субстратов путем дегидрирования и многоэтапный процесс переноса электронов на кислород; Б - перенос электронов сопровождается уменьшением свободной энергии; часть этой энергии рассеивается в виде теплоты, а -40% используется на синтез АТФ
Синтез АТФ из AДФ и Н3РО4 за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительным фосфорилированием.
Первый этап тканевого дыхания - дегидрирование различных субстратов, образующихся в реакциях катаболизма.
Ферменты, отщепляющие водород от субстратов (дегидрогеназы), находятся в основном в матриксе митохондрий. В зависимости от строения коферментов дегидрогеназы делятся на две группы: NAD-зависимые и FAD -зависимые дегидрогеназы. В NAD -зависимых дегидрогеназах NAD непрочно связан с ферментом; в восстановленной форме (NADH) он отделяется от апофермента и служит донором водорода для другого фермента (рис. 5.4).
Рис.
5.4. Дегидрирование малата
В FAD-зависимых дегидрогеназах FAD ковалентно связан с апоферментом, поэтому в реакциях, катализируемых FAD-зависимыми дегидрогеназами, участвует второй субстрат (акцептор водорода). Для всех флавиновых ферментов этим субстратом служит убихинон (коэнзимQ).
|
Рис.
5.5. Дегидрирование сукцината