Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

7 семестр / Биоэнергетика

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
02.01.2023
Размер:
933.14 Кб
Скачать

208

Лекция. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика

Понятие о метаболизме и метаболических путях. Метаболизм как совокупность процессов катаболизма и анаболизма

Биоэнергетика. Элементы термодинамики открытых систем. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов. Макроэргические соединения. АТФ - основной источник и аккумулятор энергии в организме.

Фазы катаболизма основных питательных веществ в организме. Окислительные реакции катаболических процессов. Субстратное и окислительное фосфорилирование. Клеточное дыхание.

Организация дыхательной цепи в митохондриях. Направление движения электронов по дыхательной цепи. Электрохимический потенциал. Роль АТФсинтазы в сопряжении окислительного фосфорилирования с цепью переноса электронов. Коэффициент фосфорилирования при переносе восстановительных эквивалентов на кислород от различных субстратов.

Биоэнергетика. Основные понятия и определения

Особенности живых организмов как объектов для термодинамических исследований

Химическая термодинамика является теоретической основой биоэнергетики. Биоэнергетика занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Все эти превращения осуществляются в полном соответствии с первым и вторым началами термодинамики. Тем не менее, живой организм, как объект для термодинамических исследований, отличается целым рядом специфических особенностей в сравнении с системами, которые служат объектами изучения в технической и химической термодинамики. Из этих особенностей наибольшего внимания заслуживают следующие.

Живой организм представляет собой типично открытую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией. В то же время для биологических систем применимо понятие стационарного состояния. В этом состоянии параметры в системе остаются постоянными, а скорость притока веществ и энергии равна скорости удаления их из системы. Такие системы не изменяют своих свойств во времени и сходны с системами, находящимися в равновесии.

Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение. Ведь все живые организмы высоко организованы и постоянно поддерживают свой уровень организации, поэтому для биологических систем справедливо неравенство Sокр. + Sсист.

> 0 , а не Sсист > 0.

209

Все биохимические процессы, происходящие в клетках в условиях постоянства температуры и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций, резких изменений объема.

Небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии, биологические функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Стандартное состояние для биологических объектов отличается от стандартного состояния технических и химических систем. Вспомним, что стандартным состоянием химической системы является состояние, при котором концентрации всех веществ равны 1 моль/л ( или для газов, входящих в систему, парциальные давления равны 1 атм). Для биологических систем это определение остается в силе за исключением концентрации ионов Н+, которая для стандартного состояния принимается равной 10-7 моль/л. Это соответствует нейтральной среде (рН 7), характерной для биологических объектов.

G0 - стандартная энергия Гиббса для химических систем;G0 - стандартная энергия Гиббса для биологических систем.

Сопряжение экзергонических процессов с эндергоническими

Человек получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества являются термодинамически нестабильными. Катаболические превращения этих веществ (распад или окисление) протекают с уменьшением свободной энергии. Такие процессы являются самопроизвольными (экзергоническими - G<0) и могут служить источником энергии для функционирования живой клетки. Все процессы, которые идут с увеличением свободной энергии (эндергонические - G>0), несамопроизвольные и должны быть сопряжены с экзергоническими процессами.

Жизненно важные процессы - реакции синтеза (т.е. анаболические процессы), мышечное сокращение, активный транспорт - являются эндергоническими процессами. Эндергонический процесс не может протекать изолированно. Такие процессы получают энергию путем химического сопряжения с реакциями окисления молекул пищевых веществ (катаболическими процессами), которые являются экзергоническими реакциями. Совокупность метаболических и анаболических процессов есть метаболизм.

210

Схематически такое сопряжение можно проиллюстрировать следующим образом. Пусть превращение метаболита (промежуточного соединения в цепи реакций) А в метаболит В сопровождается выделением свободной энергии. Оно сопряжено с другой реакцией - превращением метаболита С в метаболит D, которое может происходить лишь при поступлении свободной энергии.

Каким же образом осуществляется это сопряжение?

Одним из возможных механизмов состоит в образовании промежуточного соединения - общего для обеих реакций.

A + C I B + D

Здесь заложен механизм регуляции скорости окислительных процессов, т.к. скорость потребления D определяет скорость окисления А. Этим путем осуществляется дыхательный контроль - процесс, позволяющий организму избежать неконтролируемого самоокисления.

Другим примером сопряжения являются дегидрогеназные реакции (реакции отщепления атомов водорода), промежуточным соединением, в которых является промежуточный переносчик атомов водорода.

Еще один

пример

сопряжения состоит в синтезе в ходе

A-H2

переносчик

 

B-H2

 

 

 

 

 

A

переносчик-H 2

B

 

экзергонических

реакций высокоэнергетического соединения, общего для

 

 

 

 

 

NH2

 

 

 

 

N

N

 

 

 

 

 

 

-

O

-

N

N

 

O

O

 

 

O- P

O P O P OH2C

 

 

 

O

O-

O

 

 

OH OH

211

многих процессов, и последующего включения этого соединения в эндергонические реакции, что обеспечивает передачу энергии. Таким общим для многих реакций соединением - энергетической валютой клетки - является аденозинтрифосфат (АТР).

Это позволяет сопрягать большее число экзергонических реакций с большим числом эндергонических. В молекуле АТР две макроэргические связи, т.е. связи, при гидролизе которых высвобождается энергия.

Макроэргические соединения

Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то такую связь называют высокоэнергетической. Энергия гидролиза некоторых субстратов приведена в таблице.

Макроэргические соединения можно разделить на две группы: 1)Соединения, образующиеся в ходе процессов катаболизма и

служащие для превращения энергии в качестве передаточного звена (1,3- дифосфоглицерат, фосфоенолпируват - промежуточные метаболиты катаболизма углеводов).

2) Соединения, которые могут быть использованы тканями в качестве "аварийного" источника энергии (креатинфосфат локализован в основном в мышцах и служит дополнительным источником энергии при стремительных кратковременных нагрузках).

Соединение

 

- G',

 

 

 

кДж/моль

Фосфоенолпируват

 

 

67,9

1,3-Дифосфоглицерат

(продукт:

3-

49,3

фосфоглицерат)

 

 

 

Креатинфосфат

 

 

43,1

АТФ АДФ + Ф

 

 

30,5

АДФ АМФ + Ф

 

 

27,6

Пирофосфат

 

 

27,6

Глюкоза-1-фосфат

 

 

20,9

АМФ

 

 

14,2

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием. У человека метаболическим превращениям подвергаются, главным образом, глюкоза, жиры и аминокислоты. Глюкоза и аминокислоты - структурные компоненты белков и углеводов. Таким образом, необходимыми компонентами пищи являются белки углеводы и жиры.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

212

Углеводы

Белки

 

Жиры

I

 

 

 

 

Глюкоза

Аминокислоты

Глицерин

Жирные кислоты

 

 

O

 

 

 

H2N C NH 2

 

 

II

 

 

 

 

 

Пируват

 

 

 

Ацетил-КоА

 

 

III

Оксалоацетат

Цитрат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Малат

Изоцитрат

 

 

 

 

 

 

Цикл Кребса

 

 

Фумарат

2-Оксоглутарат

 

Сукцинат

Сукцинил-КоА

 

 

 

+

 

 

 

 

НАДН Н

 

 

 

 

ФАДН

 

 

 

 

2

 

 

 

Цепь переноса электронов

АТФ

 

 

 

 

 

 

+

H O

 

 

 

1/2 O + 2 H

2

 

 

 

2

 

 

 

Первая фаза - подготовительная. Она необходима для превращения полимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии, запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза - частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов: пирувата, ацетил-КоА и некоторых метаболитов цикла Кребса. На этом этапе освобождается около 20% энергии. Эта стадия называется промежуточный обмен. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме.

Третья фаза - окончательный распад всех веществ до CO2 и H2O. Этот этап включает реакции общего пути катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса) и цепь переноса электронов.

Примерно 80% всей энергии химических связей освобождается в данной фазе. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Клеточное дыхание

213

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H3PO4 + энергия АТФ + H2O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, а водород (Н+ и е-) переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды,

называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование.

В этом случае макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и физиологических процессах.

ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Большая часть энергии, высвобождаемой при окислении жирных кислот, аминокислот и углеводов запасается в виде восстановительных эквивалентов никотинамидадениндинуклеотида (НАДН Н+) и флавинадениндинуклеотида (ФАДН2), которые поставляются в дыхательную цепь для преобразования энергии химических связей в энергию электрохимического потенциала при прохождении восстановительных эквивалентов (Н+ и е-) по цепи переноса электронов. Энергия электрохимического потенциала затем вновь преобразуется в химическую энергию макроэргических связей АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Организация дыхательной цепи в митохондриях. Движущая сила процесса переноса электронов

В состав внутренней мембраны митохондрий входит кардиолипин (менее полярный липид, чем другие мембранные липиды), поэтому мембрана проницаема только для малых незаряженных молекул, непроницаема для заряженных молекул (особенно для ионов Н+) и содержит специальные переносчики для неорганического фосфата, АДФ, АТФ, аминокислот, жирных кислот, ди- и трикарбоновых кислот и их производных.

214

Компоненты цепи переноса электронов и ферменты окислительного фосфорилирования АДФ также локализованы во внутренней мембране митохондрий ( 20-25 % всех белков внутренней мембраны митохондрий).

Компоненты дыхательной цепи в основном являются сложными интегральными белками, коферменты которых могут участвовать в обратимых окислительно-восстановительных реакциях. Они располагаются последовательно в порядке возрастания восстановительных потенциалов. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду. Главная дыхательная цепь в митохондриях начинается от НАДзависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с цепью переноса электронов через НАД-зависимые дегидрогеназы, некоторые связаны с флавопротеиновыми дегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи.

Белки, участвующие в транспорте электронов ассоциированы в комплексы I, II, III и IV.

 

 

 

215

A

 

AH

 

 

 

2

 

ФАДН

 

ФАД

комплекс II

2

(сукцинатдегидрогеназа)

 

 

S S-H2

 

 

 

+

 

 

2 Fe

+3

 

+2

 

+3

 

+

+

НАДНН

ФМН-Fe-S

Ко-QH2

 

 

2Fe

 

 

 

 

2Fe

2Cu

1/2O +2H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

флавопротеин и

 

2 цит b и

цит c

 

цит c

 

цит aa

 

 

 

 

 

 

Fe-S-белки

 

Fe-S-белок

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАД

+

ФМН Н -Fe-S

Ко-Q

2 Fe

+2

+3

+2

+2

 

 

H O

 

2

 

 

 

 

2Fe

 

2Fe

 

2Cu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

-0,32 В

-0,25 В

+0,02 В

+0,03 В

+0,22 В

+0,24 В

+0,39 В

+0,82 В

 

 

 

 

комплекс I

 

комплекс III

 

 

 

комплекс IV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(НАДН-дегидрогеназа)

(убихинолдегидрогеназа)

(цитохромоксидаза)

S-H

2

: пируват, 2-оксоглутарат, 3-гидроксибутират, глутамат, изоцитрат, малат,

 

 

глутамат, 3-гидроксиацил-КоА, пролин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AH

 

 

: сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3-фосфат, холин

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

Компоненты дыхательной цепи митохондрий.

 

 

 

 

 

 

ФМН - флавинмононуклеотид, Ко-Q - убихинон, цит - цитохромы,

 

Fe-S - железо-серный белок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплекс I (НАДН:КоQ-оксидоредуктаза) представляет собой НАДНдегидрогеназу с кофактором ФМН и негемовые белки, в состав которых входят железо-серные центры. Комплекс I способен катализировать перенос атомов водорода (Н+ и е-) от НАДН на убихинон. Е0` 0,35 В для этого переноса, соответственно G0` 67 кДж/моль. Этого вполне достаточно для синтеза АТФ.

Комплекс II (сукцинат:КоQ-оксидоредуктаза с коферментом ФАД) известен как сукцинатдегидрогеназа. Е0` 0,05 В для этого переноса, соответственно G0` 9.6 кДж/моль. Этого недостаточно для синтеза АТФ.

Кофермент Q - (убихинон) малый мобильный переносчик атомов водорода. КоQ гидрофобен в окисленном и восстановленном состоянии и легко диффундирует в липидном слое мембраны, передавая только электроны комплексу III.

В комплекс III (убихинолдегидрогеназу) входят цитохромы b, цитохром с1 и железо-серный белок Риске. При переносе электронов через комплекс III наблюдается второй скачок потенциала.

Электронным переносчиком от комплекса III на комплекс IV является самый маленький цитохром - цитохром с.

Комплекс IV (цитохромоксидаза) содержит цитохромы а, а3 и медьсвязывающие белки, в которых ион меди меняет степень окисления (Cu+ Cu2+), передавая электроны на молекулярный кислород О2. На этом этапе - третий скачок потенциала. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к О2 и функционирует с максимальной скоростью пока есть хоть небольшое количество кислорода в ткани. Эта реакция необратима и определяет направление переноса электронов на кислород. О2 - конечный акцептор электронов, превращается в Н2О - конечный продукт восстановления.

216

O

+

+ e

-

OH

+

 

-

OH

 

H

 

 

+ e

 

 

 

 

 

 

H

 

 

O

+

+ e

-

O

+

 

-

OH

H

 

H + e

 

хинон

 

 

 

семихинон

 

 

 

хинол

(убихинон)

 

 

 

 

 

 

 

(убихинол)

Нормальное окисление НАДН и сукцината всегда двух электронная реакция с переносом двух атомов водорода (Н+ и е-) на флавин. В отличие от НАДН и сукцината флавины и КоQ могут участвовать в одно- и двух электронных реакциях, приводящих к образованию восстановленного хинола, окисленного хинона и промежуточной формы - семихинона.

Способность флавинов и КоQ образовывать семихиноновые промежуточные соединения является ключевым моментом в электронном транспорте в митохондриях, т.к. эти кофакторы связывают обязательные двух электронные реакции НАДН и сукцината с обязательными одноэлектронными реакциями в цитохромах.

Цитохромы - это сложные белки, содержащие в качестве простетической группы гем. В отличие от гемоглобина и миоглобина гемовое железо цитохромов обратимо меняет степень окисления (Fe2+ Fe3+).

Окислительное фосфорилирование

Свободная энергия, доступная в результате переноса двух электронов от НАДН и сукцината соответственно составляет 238 и 150 кДж/моль соответственно. На синтез одного моль АТФ расходуется 31 кДж/моль энергии. Синтез АТФ из АДФ сопряженный с процессом переноса электронов по дыхательной цепи и катализируемый интегральным белком - АТФ-синтазой, называется окислительным фосфорилированием. Суммарный процесс можно представить в следующем виде:

АДФ + Фн + энергия АТФ + Н2О Сопряжение происходит при участии внутренней мембраны

митохондрий.

217

Соседние файлы в папке 7 семестр