Казимирский А.Н. - Биоокисление

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ГБОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.И. ПИРОГОВА»

МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РФ

__________________________________________________________________

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

И БИОЭНЕРГЕТИКА

Методическое пособие для самостоятельной работы студентов

лечебного и педиатрического факультетов

МОСКВА – 2012

ВВЕДЕНИЕ: фотосинтез, анаболизм, катаболизм, специфические пути

метаболизма

Жизнь на Земле существует благодаря солнечному свету. Свет является источником энергии для растений и большинства автотрофных организмов, в то время как гетеротрофные организмы используют для процессов жизнедеятельности энергию органических веществ, поступающих с пищей. Энергия света в растениях и фотосинтезирующих бактериях используется для синтеза органических соединений из СО2 и воды. Фотосинтез – это сложный многоступенчатый процесс, однако, он имеет простой химический баланс, по которому из 6 молекул СО2 синтезируется молекула гексозы (глюкозы или фруктозы), см. рис.1. Протоны и необходимые для процесса восстановления электроны извлекаются из воды. Кислород (О2) при этом является побочным продуктом фотосинтеза и поступает в атмосферу.

В ходе фотосинтеза энергия поглощенных хлорофиллом квантов света идет на возбуждение электронов в хлорофилле, а далее расходуется на синтез НАДФН — соединений с высоким восстановительным потенциалом и макроэргических соединений АТФ. Осуществление процесса переноса электронов от молекул воды на НАДФ+ происходит согласно уравнениям: НАДФ+ +

2Н2О Н2О2 + НАДФН + Н+; далее Н2О2 0,5О2 + Н2О. При этом два электрона, получив энергию квантов света, и один протон присоединяются к

молекуле НАДФ+ и превращают еѐ в НАДФН. Таким образом, в первой части фотосинтеза (световые реакции) происходит расщепление воды с образованием НАДФН и кислорода. Частично эта же энергия используется на фосфорилирование АДФ, в ходе которого синтезируется молекула АТФ.

Вторая часть фотосинтеза не требует притока света (темновые реакции). Из СО2, электронов, получаемых от НАДФН и энергии АТФ синтезируются углеводы — глюкоза, фруктоза или полимер глюкозы крахмал. Первый и наиболее важный этап этого процесса — перенос и внедрение молекулы СО2 в молекулу рибулозо-1,5-дифосфата с расщеплением этой молекулы и образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты, восстановлением их с помощью двух молекул НАДФН до двух молекул 3- фосфоглицеринового альдегида и дальнейшим их превращением в молекулу гексозы. Таким образом, получая 4 электрона, восстанавливается углерод (+4) молекулы СО2 и возникают характерные для углеводов одноуглеродные фрагменты НСОН, где углерод имеет нулевую степень окисления. Из углеводов далее возникают и другие органические соединения (в частности, белки и липиды).

После поступления углеводов и других органических веществ в организм человека с пищей в химических процессах, называемых катаболическими, происходит окисление углерода, содержащегося в пищевых веществах. Выделяющаяся при этом энергия и высвобождающиеся электроны расходуются по двум направлениям:

4

—синтез АТФ (который является универсальным источником энергии для большого числа энергозависимых процессов);

—прямой перенос электронов с образованием новых химических связей (главным образом при синтезе липидов).

α-D Глюкоза (α-D-глюкопираноза)

(НСОН)6 6 Н2О

С6Н12О6

Рис.1. α-D-глюкопираноза и схема фотосинтеза.

Принципиальная схема фотосинтеза включает расщепление воды за счет энергии фотонов (а), происходящий с помощью хлорофиллсодержащих фотосистем, и (б) восстановление С(+4) диоксида углерода до С(0), нулевую степень окисления углерод имеет в углеводах.

Совокупность химических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма, называется обменом веществ (метаболизмом), а участвующие в обмене веществ химические соединения называют метаболитами. Благодаря наличию ферментов и регуляторных систем в организмах эти процессы упорядочены, проходят с высокой продуктивностью в виде последовательностей химических реакций, называемых путями метаболизма или ме-

таболическими путями. В обмене веществ выделяют внешний обмен, ко-

торый включает внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения и промежуточный обмен, происходящий в клетках и являющийся совокупностью всех химических реакций, протекающих в живой клетке. В обмене веществ принято выделять два противоположных процесса: катаболизм и анаболизм. Анаболизм – это синтез более сложных молекул из простых. Катаболизм представляет собой расщепление крупных молекул на более мелкие. Существуют метаболические пути, сопрягающие процессы анаболизма и катаболизма, их называют амфиболическими путями.

Катаболизм (распад) основных пищевых веществ - углеводов, жи-

ров, белков (аминокислот) начинается в системе пищеварения, где основные классы молекул – белки, липиды и углеводы подвергаются ферментативному гидролизу и расщепляются до аминокислот, жирных кислот и глицерина, и моносахаридов. После их всасывания, транспорта и распределения по клет-

5

кам организма начинаются специфические пути катаболизма, заключающиеся во внутриклеточных превращениях жирных кислот, моносахаров и аминокислот (см. рис. 2) в универсальные молекулы пировиноградной кислоты и ацетил-КоА.

Липиды Углеводы Белки

Пищеварение

пируват

2

ацетил-СоА

3

Цикл

трикарбоновых кислот Кребса

поток электронов от окисляемых субстратов (НАДН и ФАДН2)

4е-

О2+4Н+ Процесс

окислительного фосфорилирования 2Н2О

АТФ

Рис.2. Общие и специфические пути катаболизма.

Жирные кислоты в процессе β-окисления (в митохондриях) превращаются в ацетил-СоА. Глицерин через фосфорилирование до глицерофосфата превращается в глицеральдегид-3-фосфат и поступает в гликолиз, превраща-

6

ясь в пируват.

Моносахариды, поступая в клетку, через реакции взаимопревращения преобразуются в глюкозу, а затем вступают в гликолиз в цитозоле, в виде пирувата проникая в митохондрии.

Аминокислоты, после удаления аминогруппы, превращаются в кетокислоты. Первая реакция распада аминокислот это отделение аминогруппы. Часть аминокислот (1) затем превращается в пируват (они называются гликогенные), часть в молекулу ацетил-СоА (2) (они называются кетогенные) и промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (3).

Именно катаболические превращения являются основным источником энергии для живых организмов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. Макроэргические соединения

Биоэнергетика — раздел биохимии, изучающий биохимические механизмы, приводящие к генерации различных форм биологической энергии, процессы превращения и запасания энергии в живых системах. К настоящему времени сформулированы три основных закона биоэнергетики:

1.Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии ("энергетических валют").

2.Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя "энергетическими валютами": одна – водорастворимая (АТФ ) и вторая – связанная с мембраной (протонный или Na+ – градиент мембранного потенциала).

3."Энергетические валюты" клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности клетки.

Каждое органическое соединение обладает определѐнным запасом внутренней энергии (U). Часть этой внутренней энергии молекулы может быть использована для совершения полезной работы. Эту энергию называют свободной энергией (G) молекулы. Источники энергии для организма – это химические реакции, в которых молекулы, содержащие атомы углерода в восстановленном состоянии, подвергаются окислению. При этом специальные дыхательные переносчики (молекулы НАД+ и ФАД) присоединяют протоны и электроны (восстанавливаются) и в таком виде транспортируют атомы водорода к дыхательной цепи.

Эндергонические реакции – это химические реакции, требующие притока энергии для их осуществления. В этих реакциях изменение свободной энергии ∆G положительная величина (ΔG > 0).

Экзергонические реакции – это реакции, в которых энергия выделяется, т.е. они идут с выделением энергии. В таких реакциях изменение свободной энергии ∆G– отрицательная величина (ΔG < 0).

7

Внутриклеточные химические реакции могут быть представлены в ви-

де:

1.катаболических (экзергонических) реакций;

2.анаболических (эндергонических) реакций.

Табл. 1. Направление химических реакций определяется значением ∆G

Пример сопряжѐнных реакций: Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:

1. Глюкоза + H3РО4 → Глюкозо-6-фосфат + Н2О (∆G = + 13,8 кДж/моль )

Самопроизвольно такая реакция осуществиться не может. Еѐ течение требует притока энергии. Для протекания этой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфат необходимо еѐ сопряжение с другой реакцией, в которой энергия выделяется в заведомо большем количестве, чем требуется для фосфорилирования глюкозы. Такой реакцией является реакция гидролиза АТФ.

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой, фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима:

3. Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ

(∆G = + 13,8 + -30,5 = -16,7 кДж/моль )

В живых системах в отношении направления биологических процессов действует принцип: эндергонические реакции проходят за счет энергии освобождающейся в экзергонических реакциях.

8

Анаболические (биосинтетические) процессы, требующие притока энергии, протекают за счет энергии катаболических процессов (процессов распада молекул).

Макроэргические соединения

Макроэргические соединения – соединения, содержащие макроэргическую связь, при гидролизе которой освобождается энергия больше чем 30 кДж/моль.

К клеточным макроэргическим соединениям относят фосфоенолпируват, 1,3-дифосфоглицерат, которые образуются в гликолизе (в процессе распада глюкозы до пирувата). К ним относят также сукцинил~СоА (образуется в цикле трикарбоновых кислот, переносит фосфатную группу на ГДФ) и креатинфосфат, являющиеся субстратами, так называемого субстратного фосфорилирования, при котором их макроэргическая связь используется для синтеза АТФ.

OH OH

Рис. 12. В молекуле аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) две высокоэнергетические (макроэргические связи) β и γ.

Макроэргическими соединениями являются также ацил~СоА и все соединения, содержащие сложную тиоэфирную группу, а также карбамоилфосфат (образуется в первой реакции цикла мочевины) и аргининфосфат, гистидинфосфат (имидазолфосфат) и все нуклеозиддифосфаты и нуклеозитрифосфаты.

Эти молекулы обладают большим потенциалом переноса фосфатной группы на АДФ с образованием АТФ, потому что энергия, выделяемая при распаде этих макроэргических молекул более высокая, чем требуется для синтеза АТФ из АДФ. По отношению к АДФ, перечисленные макроэргические молекулы доноры энергии.

В свою очередь АТФ – источник энергии для важных метаболических путей, в которых идут превращения глюкозы, фруктозы и многих других молекул. Получая фосфатную группу от АТФ, эти молекулы увеличивают уровень своей свободной энергии (G), что обеспечивает течение ряда ферментативных реакций и клеточных процессов.

9

Таким образом, АТФ среди клеточных фосфорилированных соединений (по уровню свободной энергии) занимает некоторое промежуточное положение. Это определяет особое биологическое значение АТФ как универсального донора энергии в огромном числе реакций. Поэтому АТФ называют "энергетической валютой". Вместе с тем, АДФ универсальный акцептор энергии (и фосфатной группы) от клеточных макроэргов, которые обладают более высоким уровнем свободной энергии. Цикл АТФ-АДФ — основной механизм обмена энергии в клетке. Расчеты показывают, что в организме в сутки образуется и распадается 40-45 кг АТФ.

Некоторые анаболические реакции осуществляются с участием других нуклеозидтрифосфатов. К ним относятся гуанозинтрифосфат (ГТФ) – участвует в рибосомальном синтезе белка, уридинтрифосфат (УТФ) – участвует в синтезе гликогена и взаимопревращениях моносахаридов, цитидинтрифосфат (ЦТФ) – участвует в синтезе мембранных липидов.

Субстратное фосфорилирование. Одним из источников нуклео-

зидтрифосфатов, главным образом АТФ, является субстратное фосфорилирование, в процессе которого они могут синтезироваться в реакциях переноса фосфорильной группы от содержащих остаток фосфорной кислоты макроэргических соединений на нуклеозиддифосфаты. К таким реакциям относятся реакции гликолиза, когда с 1,3-дифосфоглицерата, содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты — образуется молекула АТФ:

И вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ, протекающая под действием фермента пируваткиназы

Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно. К реакциям суб-

10