Тема 7 Загальні закономірності обміну речовин та енергії. Цикл трикарбонових кислот.

Актуальність теми

Функціонування клітин організму забезпечують метаболічні перетворення, які включають анаболізм і катаболізм сполук. Цикл трикарбонових кислот - це загальний кінцевий шлях для окислювання ацетильних груп, у які перетворюється в процесі катаболізму більша частина органічних молекул, що грають роль клітинного палива - вуглеводів, жирних кислот й амінокислот. Ферментативне окислювання ацетильних груп у ЦТК супроводжується утворенням високоенергетичних атомів водню й вивільненням вуглекислого газу. Протони водню й багаті енергією електрони передаються по дихальному ланцюзі з виділенням великої кількості енергії, що запасає у формі АТФ. Порушення функціонування циклу трикарбонових кислот призводить, перш за все, до гіпоенергетичних станів та збільшення альтернативних шляхів використання ацетил-КоА, зокрема кетогенезу.

Вивчення особливостей функціонування циклу трикарбонових кислот є важливим для розуміння його амфіболічної природи та визначення його ролі у енергозабезпеченні клітини. Вміння аналізувати роль ЦТК необхідні для розуміння обміну речовин та енергії у клітині. Тому вивчення цього процесу є обов’язковим під час формування основ біохімічних знань майбутнього фармацевта.

Мета заняття:

• уміти пояснювати основні закономірності перебігу обміну речовин, характеризувати стадії аеробного катаболізму біомолекул, основні метаболічні шляхи та механізми їх регуляції.

• засвоїти послідовність реакцій та біологічне значення циклу трикарбонових кислот як універсального кінцевого шляху окиснювального катаболізму клітини.

• 3нати розрахунок енергетичного балансу ЦЛК.

• знати регуляторні механізми, що забезпечують роботу ЦЛК

• оволодіти методами дослідження функціонування ЦТК мітохондрій та впливу малонової кислоти на перебіг його реакцій.

Конкретні цілі:

• Трактувати біохімічні закономірності перебігу обміну речовин: катаболічні, анаболічні, амфіболічні шляхи метаболізму;

• Пояснювати роль АТФ та інших макроергічних фосфатів у поєднанні процесів анаболізму і катаболізму.

• Характеризувати екзергонічні та ендергонічні біохімічні реакції.

• Характеризувати стадії аеробного катаболізму біомолекул.

• Пояснювати біохімічні механізми регуляції процесів анаболізму та катаболізму;

• Трактувати біохімічні закономірності функціонування циклу трикарбонових кислот, його анаплеротичні реакції та амфіболічну сутність;

• Пояснювати біохімічні механізми регуляції циклу трикарбонових кислот та його ключову роль в обміні речовин та енергії.

• Пояснювати методи вивчення обміну речовин.

Теоретичні питання

1. Поняття про обмін речовин та енергії. Характеристика катаболічних, анаболічних та амфіболічних шляхів метаболізму, їх значення.

2. Екзергонічні та ендергонічні біохімічні реакції; роль АТФ та інших макроергічних фосфатів у їх спряженні. Характеристка двох основних біоенергетичних шляхів фосфорилювання – субстратного та окисного.

3. Внутрішньоклітинна локалізація метаболічних шляхів, компартменталізація метаболічних процесів в клітині. Методи вивчення обміну речовин.

4. Стадії катаболізму для екзогенних та ендогенних біомолекул. Загальні та специфічні шляхи катаболізму, кінцеві продукти.

5. Окисне декарбоксилювання пірувату як перша загальна ланка катаболізму білків, жирів і вуглеводів. Біологічне значення, локалізація в клітині, будова піруватдегідрогеназного мультиферментного комплексу, послідовність реакцій, механізм каталізу при участі коферментів. Механізми регуляції швидкості окисного декарбоксилювання пірувату.

6. Цикл трикарбонових кислот:

• біохімічне значення ЦТК

• внутрішньоклітинна локалізація ферментів ЦТК;

• послідовність реакцій ЦТК;

• характеристика ферментів та коферментів ЦТК;

• особливості функціонування -кетоглутаратдегідрогеназного мультиензимного комплексу.реакції субстратного фосфорилування в ЦТК;

• енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот.

• анаплеротичні та амфіболічні реакції ЦТК.

• регуляція ЦТК: регуляторні ферменти, активатори, інгібітори.

7. Методика оцінки функціонування ЦТК по визначенню його кінцевих продуктів

Практична робота

Дослід 1. Дослідження функціонування ЦТК мітохондрій за швидкістю утворення атомів водню та вплив малонової кислоти на цей процес.

Принцип методу. При окисненні ацетил-S-КоА в ЦТК вивільняється водень, який відновлює метиленову синьку та перетворює її в безбарвну лейкосполуку. Час, протягом якого відбувається знебарвлення розчину, є показником інтенсивності протікання ЦТК в мітохондріях.

При блокуванні ЦТК малонатом (малоновою кислотою), вивільнення водню не відбувається і метиленова синька не знебарвлюється.

Хід роботи. Три пробірки – контрольну, дослідну № 1 та дослідну № 2 заповнюють реактивами за таблицею:

Вміст пробірок	Пробірки
	Контроль	Дослід №1	Дослід №2
Фосфатний буфер, рН = 7,4, мл	2,0	2,0	2,0
Розчин пірувату натрію, мл	0,5	0,5	0,5
Малонова кислота, мл	–	–	0,5
Фізіологічний розчин, мл	0,5	0,5	–
Суспензія мітохондрій, мл	–	0,5	0,5
Суспензія мітохондрій після кип’ятіння, мл	0,5	–	–
Розчин метиленової синьки, мл	0,5	0,5	0,5
Інкубація в термостаті при температурі 37оС
Результати: час, протягом якого відбувається знебарвлення розчину

Зробити висновки.

Дослід 2. Визначення активності ФАД-залежної сукцинат-дегідрогенази – компонента дихального ланцюга мітохондрій.

Принцип методу. Сукцинатдегідрогеназа каталізує дегідрогенізацію сукцинату (бурштинової кислоти), в результаті чого утворюється фумарат (фумарова кислота). Кофактором ферменту є ФАД, який відновлюється в процесі реакції до ФАДН₂. Утворений в реакції ФАДН₂ відновлює метиленову синьку та перетворює її в безбарвну лейкосполуку.

Хід роботи. Дві пробірки – контрольну та дослідну заповнюють реактивами за таблицею:

Вміст пробірок	Пробірка
	Контрольна	Дослідна
Фосфатний буфер, рН = 7,4, мл	1,0	1,0
Розчин бурштинової кислоти, мл	1,0	1,0
Суспензія мітохондрій, мл	–	0,5
Суспензія мітохондрій після кип’ятіння, мл	0,5	–
Метиленова синька, мл	0,5	0,5
Інкубація в термостаті при 37оС
Результати: час, протягом якого відбувається знебарвлення розчину

За результатами проведеного експерименту зробити висновки.

Клініко-діагностичне значення. Багато речовин, у тому числі і лікарські засоби, можуть змінювати енергетику клітин, інтенсивність окислювального фосфорилування – утворення АТФ. Їх можна поділити на активатори та інгібітори енергетичного обміну. До активаторів належать кислоти циклу Кребса (лимонна, яблучна, бурштинова) та низка інших сполук (глюкоза, амінокислоти тощо), тому вони знайшли застосування у медичній практиці.

Лимонну кислоту у вигляді солей (цитрат натрію) використовують в якості засоба, що запобігає згортанню крові та може входити до складу деяких ліків.

Література

Основна:

1. Губський Ю. І. Біологічна хімія. – Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. – 508 с.

2. Вороніна Л.М., Десенко В.Ф., Мадієвська Н.М. та ін. Біологічна хімія. – Харків: Основа. – 608 с.

3. Гонський Я.І., Максимчук Т.П., Калинський М.І. Біохімія людини. – Тернопіль: Укрмедкнига, 2002. – 744 с.

Додаткова:

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф, Биологическая химия. – Москва: Медицина, 1998. –

701 с

2. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. – Москва: Мир, 2000. – 470 с.

3. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. т. 1. – М.: Мир, 2004. – 381 с.

4. Мещишен І.Ф., Яремій І.М. Особливості обміну речовин у дітей / Чернівці: БДМА, 2003. – С. 4-18.