3 - био-энергетический обмен

1. Понятие об обмене веществ. Процессы ката- и анаболизма, их характеристика, отличия и взаимосвязь

Обмен веществ – совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Включает 3 этапа:

1. Поступление

2. Метаболизм

3. Выделение конечных продуктов из организма

Метаболизм:

Отличаются по:

• Локализации

• Количеству реакций

• Локализации

Взаимосвязь катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия или временного превалирования одного из них.

Состояние равновесного или неравновесного соотношения зависит от возраста:

Их соотношение зависит также от состояния здоровья, физической или психоэмоциональной деятельности.

2. Метаболические пути, их виды

Общий путь катаболизма – реакция окислительного декарбоксилирования ПВК и цикла Кребса.

Метаболические пути:

Пример1:

Пример2:

3. Основные фазы унификации питательных веществ в организме. Центральные метаболиты

Фазы:

1. Подготовительная – не является поставщиком энергии (1%).

ВМС распадаются в ЖКТ до мономеров.

2. Образование центральных метаболитов – протекает в цитоплазме, завершается в митохондриях (20-30% энергии)

3. Полное окисление – Цикл Кребса (70-80% энергии) – в аэробных условиях полное окисление поступивших с пищей веществ.

4. Цикл Кребса, как основной «метаболический котел» клетки (формулы). Регуляция и локализация цикла Кребса

Цикл Кребса (ЦТК, цикл трикарбоновых кислот, лимоннокислый цикл)

Циклический, в аэробных условиях, в матриксе митохондрий

Реакции:

При окислении 1 молекулы Ацетил-КОА в цикле Кребса и в системе окислительного фосфорилирования образуется 12АТФ:

1АТФ – субстратное фосфорилирование, 11АТФ – окислительное

СН₃СоSКоА + 2Н₂О + 3НАД + ФАД + АДФ + Р_н = > 2СО₂ + 3НАДН₂ + АТФ + ФАДН₂ + НSКоА

Функции ЦТК (Цикла Кребса):

1. Интегрирующая (взаимосвязь БЖУ)

2. Энергообразующая (12АТФ)

3. Анаболитическая (синтез соединений из метаболитов ЦТК)

Пример:

Регуляция цикла.

1. Регуляторные энзимы:

• Цитратсинтаза

• Изоцитрат-дегидрогеназа

• α-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс

2. Роль витаминов:

5. Понятие о биологическом окислении, его отличие от горения

Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках.

Главные функции окислительных процессов:

• Запас энергии в утилизируемой форме

• Рассеяние энергии в виде теплоты

• Образование полезных соединений

• Расщепление вредных веществ

Отличие БО от горения:

Сущность окисления:

Fe³⁺ + электрон ↔ Fe²⁺

Каждая редокс-пара – имеет свой потенциал.

Редокс-потенциал указывает направление движения электронов

6. Тканевое дыхание. Субстраты тканевого дыхания

Тканевое дыхание– вид биологического окисления, при котором акцептором электронов.

Субстраты ТД:

• кислоты цикла Кребса

(коферменты реакций НАД,ФАД: изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат)

• ПВК

• Лактат

• АК

• α-глицерофосфат

• жирные кислоты

Осуществляется благодаря оксидоредуктазам дыхательной цепи.

7. Дыхательная цепь, ее структура, локализация, биологическая роль

Дыхательная цепь – последовательность оксидоредуктаз во внутренней мембране митохондрий, осуществляющих перенос электронов и протонов от субстрата на молекулярный кислород.

Функции:

1. Поставщик энергии для синтеза АТФ

2. 50% энергии – выделяется в виде тепла

Поступление водорода в виде НАДН₂ либо ФАДН₂

8. Характеристика ферментных комплексов дыхательной цепи

Комплексы ДЦ:

9. Использование цитоплазматического НАДН2 в дыхательной цепи. Характеристика челночных механизмов

Челночные механизмы – переносят восстановленные нуклеотиды (НАДН₂) из цитоплазмы в митохондрии.

Челнок – малат.

В цитоплазме происходит восстановление оксоло-ацетата до малата, который проникает в митохондрию.

В митохондрии по действием митохондриальной МДТ малат переходит в ЩУК, а НАДН₂ передает электроны и протоны дыхательной цепи.

10. Ингибиторы тканевого дыхания

Ингибиторы:

Барбитураты – блокируют переход электронов от первого комплекса к убихинону.

Ряд антибиотиков блокирует переход электронов от цитохромаВ к цитохромуС (комплекс3).

Цианиды, угарный газ – ингибиторы цитохромоксидазы (комплекс4)

Цианиды – ингибиторы Fe²⁺

Угарный газ - ингибитор Fe³⁺

1. Окислительное фосфорилирование, его механизм и значение

Фосфорилирование – образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии.

Различают 2 вида (в зависимости от вида энергии):

Для образования 1 молекулы АТФ необходимо:

• затрата 7,3ккал

• перепад редокс-потенциалов между соседними участками дыхательной цепи 0,2В

Р/О (фосфор/кислород) – коэффициент фосфорилирования – число моль неорганического фосфата переведенных в органическую форму (АТФ) в расчете на каждый поглощенный атом кислорода.

Механизмы окислительного фосфорилирования (ОФ)

Основные положения ОФ:

1. движущей силой ОФ является протонный градиент ∆ μН⁺ /дельта мю аш/

Электроны, пробегая по ДЦ, каскадно дробно теряют энергию.

За счет этой энергии против градиента концентрации происходит перемещение протонов через мембрану (4Н⁺ на уровне 1го, 4Н⁺ на уровне 3го, 2Н⁺ на уровне 4го) из матрикса.

∆ μН⁺=∆ᴪ +∆рН⁺

∆ᴪ - мембранный потенциал, ∆рН – градиент рН

Протоны в дальнейшем возвращаются в матрикс митохондрий по градиенту концентрации по каналу, образованному белком-ферментом АТФ-синтазой, которая состоит из 2х компонентов F₀F₁

При этом выделяется энергия для синтеза АТФ

2. ОФ требует целостности мембраны (внутренней митохондриальной)

3. Внутренняя мембрана митохондрий не проницаема для ионов (Н⁺,К⁺…)

2. Сопряжение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

Для образования 1 молекулы АТФ необходимо:

• затрата 7,3ккал

• перепад редокс-потенциалов между соседними участками дыхательной цепи 0,2В

Пункты фосфорилирования (точки сопряжения)

В дыхательной цепи – 3 участка (с перепадом в 0,2В):

На уровне 1,3,4 ферментного комплекса.

2й ферментный комплекс не задействован.

Вывод:

1. Тканевое дыхание заряжает мембрану, ОФ разряжает мембрану

2. Энергопреобразующие мембраны сначала генерируют ∆ μН⁺, а затем реализуют его через АТФ-синтазу

АТФ-синтаза (похож на гриб)

3. Регуляция окислительноего фосфорилирования (дыхательный контроль, действие разобщителей)

Уровни регуляции:

1. Дыхательный контроль

– изменение скорости дыхания с изменением концентрации АДФ.

При повышении концентрации АДФ => активизируется ЦТК, ДЦ, ОФ

При снижении концентрации АДФ => тормозится ЦТК, ДЦ, ОФ

2. Разобщители

– разобщают перенос электронов и синтез АТФ.

Разобщают тканевое дыхание (ТД) и ДЦ.

ДЦ работает, но энергия ТД идет на тепло, а не на АТФ.

Примеры разобщителей:

• Естественной природы (прогестерон, тестостерон, холод)

• Патологические (дифтерийный токсин)

• Искусственные (ряд антибиотиков)

4. Свободное окисление. Бурый жир

Свободное (нефосфорилирующее) окисление

В митохондриях дыхание не всегда сопровождается фосфорилированием.

Бурый жир – термогенная ткань.

У человека бурый жир находится у ключиц и вдоль позвоночника.

Бурый – т.к. содержит много цитохромов (а в них Fe), а так же много митохондрий, кровеносных сосудов, симпатических нервных волокон.

Внутренняя мембрана митохондрий бурого жира имеет специальные поры для ионов Н⁺. В них белок термогенин (из гема).

Термогенин встроен в мембрану. Он разобщающий белок.

5. Субстратное фосфорилирование, его отличие от окислительного фосфорилирования

Субстратное фосфорилирование (СФ) – образование АТФ за счет превращения субстрата, имеющего макроэргическую связь.

Пример1: (реакция №5 из ЦТК)

Реакция проходит в митохондриях в аэробных условиях.

ГТФ – образуется за счет субстрата

Пример2: пируват-киназная реакция (из гликолиза)

Отличия ОФ от СФ:

6. Пути образования свободных радикалов, микросомальное окисление. Биологические эффекты свободных радикалов

Использование кислорода в организме:

1. 80-90% расходуется в ДЦ

2. В цепи микросомального окисления

3. Реакции катализируемые: оксигеназами (моно- и диоксигеназами)

Свободно-радикальное окисление.

Свободный радикал – молекула с неспаренным электроном на орбите.

Свободно-радикальное окисление – универсальный процесс, сопровождающий нормальную жизнедеятельность и активизирующийся при патологии.

Свободный радикал образуется в организме:

• В ДЦ (при образовании эндогенной воды на уровне убихинона)

• При фагоцитозе

• При микросомальном оксилении

• При синтезе ряда гормонов

Активные формы кислорода:

• Перекись водорода

• Свободный радикал

• Супероксид радикал

• Гидроксил радикал (самый мощный мутаген)

• Оксид азота

Образование активных форм кислорода:

1. О₂ + электрон => супероксид радикал (Ȱ₂)

2. Супероксид радикал + электрон + 2Н⁺ => вода

3. Вода + электрон + Н⁺ => вода + гидроксил радикал (ȮН)

4. Гидроксил радикал + электрон + Н⁺ => вода

Пути образовании супероксид радикала:

Перекись водорода – цитотоксична

Пути образования:

Образование гидроксил радикала:

Н₂О₂ + супероксид радикал (Ȱ₂) => гидроксил радикал (ȮН) + ОН^-+ О₂

Образуется при облучениях.

Активные формы кислорода:

• повреждают все молекулы

• инактивируют ферменты

• перекисное окисление липидов (ПОЛ)

• окисление модификаций белков

• полимеризация углеводов

• разрыв связей НК

ПОЛ необходим для синтеза простагландинов, лейкотриенов,…

ПОЛ: повреждаются полиненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов мембран

RH (жирная кислота) => R∙ => ROO∙ (пероксидный радикал) => ROOH (гидропероксид)

ROOH => RO∙ + ȮН (гидроксил радикал – самый страшный)

В результате избыточного ПОЛ образуются:

• Альдегиды

• Кетоны

• Спирты

Активация ПОЛ (и др окислителей) – при многих радикальных окислениях:

• Лучевые поражения

• Опухоли

• Гипоксия

• Ишемия

• Старение

7. Антиоксидантная система организма. Ферменты – антиоксиданты. Неферментативные антиоксиданты

Антиоксидантная система – система защиты биополимеров от деструкции

Антиоксиданты могут быть:

Антиоксиданты могут быть: