ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

БИОХИМИЯ

ЭНЕРГЕТИКА ОБЩИХ ПУТЕЙ КАТАБОЛИЗМА

Учебное пособие

Чита - 2009

УДК 612.015.3:577.158(075.85)

Гомбоева А.Ц., Никитина Л.П., Хышиктуев Б.С. Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма. Учебное пособие. – Чита: ИИЦ ЧГМА, 2009. –56 с.

В учебном пособии рассмотрены биоэнергетические процессы, протекающие в различных компартментах клетки. Особое внимание уделено механизмам генерации и трансформации энергии в митохондриях. Приведены примеры некоторых заболеваний, в генезе которых важное место занимает нарушение нормального функционирования дыхательной цепи, а также пути их коррекции. Рассмотрены факторы про- и антиоксидантных систем организма. Пособие «Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма» (издание третье, переработанное и дополненное) написано на основании многолетнего опыта преподавания биохимии с учетом современных сведений о молекулярных механизмах обмена веществ.

Предназначено для студентов медицинских вузов.

Рецензенты:

Зав. кафедрой общей химии ГОУ ВПО ЧГМА, к.б.н., доцент Н.Н. Коцюржинская

Зав. кафедрой медицинской физики и информатики ГОУ ВПО ЧГМА, доцент Ю.Н. Смоляков

ЧГМА, кафедра биологической химии с курсами

биоорганической химии и клинической биохимии

Чита, 2009

Содержание
Список сокращений	5
Введение в обмен веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
Глава I. Энергетический обмен
1.1. Свободная энергия и законы термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	12
1.1.1. Макроэргические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	13
1.1.2. Пути синтеза АТФ и его роль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
1.1.3. Окислительно-восстановительное равновесие, окислительно-восстановительный потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	17
1.2. Биологическое окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	18
1.2.1. Характеристика биологического окисления . . . . . . . . . . . . . . . .	19
1.2.2. Сопряжение биологического окисления и окислительного фосфорилирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	25
1.2.3. Регуляция скорости дыхания митохондрий . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
1.2.4. Разобщение дыхания и фосфорилирования. . . . . .. . . . . . . . . . . .	27
1.2.5. Патология биоэнергетических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . .	30
1.2.6. Механизмы защиты от токсического действия кислорода. . . . .	36
1.3. Микросомальное окисление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	40
Контрольные тесты к главе I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	42
Глава II. Общие пути катаболизма
2.1. Окислительное декарбоксилирование ПВК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	45
2.1.1. Сущность преобразований пирувата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	45
2.1.2. Регуляция процесса окисления пирувата . . . . . . . . . . . . . . . . . .	48
2.1.3. Патология окислительного декарбоксилирования ПВК. . . . . .	49
2.2. Цикл трикарбоновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	49
2.2.1. Последовательность реакций цикла лимонной кислоты . . . . . .	51
2.2.2. Энергетическая ценность процесса .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	55
2.2.3.Участие витаминов в ЦТК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	56
2.2.4. Биологические функции цикла Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	56
2.2.5. Регуляция превращений цитрата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	58
Контрольные тесты к главе II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	58
Ответы на тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	61
Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	62

Список сокращений

АДФ – аденозиндифосфат

АМФ ­– аденозинмонофосфат

АТФ – аденозинтрифосфат

ГДФ – гуанозиндифосфат

ГТФ – гуанозинтрифосфат

ДГ – дегидрогеназа

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ДОФА – диоксифенилаланин

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

КоА – коэнзим ацилирования (активная форма витамина В₃)

КоQ – коэнзим Q (убихинон) окисленный

КоQН₂ – коэнзим Q (убихинон) восстановленный

ЛК – липоевая кислота

МФП⁺ –1-метил-4-фенилпиридиния катион

МФТП – 1-метил-4-фенил-2,3,5,6-тетрагидропиридин

НАД⁺ – никотинамидадениндинуклеотид (окисленный)

НАДН – никотинамидадениндинуклеотид восстановленный

ОА – оксалоацетат

ПВК – пировиноградная кислота

ПОЛ – перекисное окисление липидов

РНК – рибонуклеиновая кислота

ТГФК – тетрагидрофолиевая кислота

ТДФ – тиаминдифосфат

Тир – тирозин

Три – триптофан

ТТФ ­– тимидинтрифосфат

УДФ – уридиндифосфат

УТФ – уридинтрифосфат

Фен – фенилаланин

Ф_н – фосфат неорганический

ФАД – флавинадениндинуклеотид (окисленный)

ФАДН₂ – флавинадениндинуклеотид (восстановленный)

ФМН – флавинмононуклеотид (окисленный)

ФМНН₂ – флавинмононуклеотид (восстановленный)

ФП – фосфопиридоксаль

ЦДФ – цитидиндифосфат

ЦТК – цикл трикарбоновых кислот

ЦТФ – тимидинтрифосфат

Цит – цитохром

ЭТЦ – электроно-транспортная цепь

Сu²⁺ – катион меди

GSH – глутатион (восстановленный)

Н⁺ – протон(ы)

HSKoA – кофермент ацилирования (свободный)

К⁺ – калия катион

Na⁺ – натрия катион

S – субстрат

Т^• – радикал токоферола

Т_н – токоферол (молекулярный)

Введение в обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) - совокупность многочисленных химических реакций, протекающих в живых организмах, благодаря которым осуществляется их рост, жизнедеятельность, воспроизводство, постоянный контакт и обмен с окружающей средой.

Главная задача метаболизма - обеспечить организм энергией за счет окисления пищевых веществ. Кроме того, их молекулы используются в качестве исходного «сырья» для создания жизненно необходимых компонентов клетки. Ненужные организму структуры ­– «отходы» преобразуются в основном в хорошо растворимые в воде соединения, которые могут быть легко выведены (с мочой, калом, потом, слюной, выдыхаемым воздухом).

Метаболизм любых отдельно взятых веществ (углеводов, липидов, нуклеотидов и т.д.) складывается из двух фаз: анаболической и катаболической.

Анаболизм (anabole - подъем) - синтез соединений из более простых молекул. Реже эта фаза ограничивается для веществ лишь поступлением его в клетку из внешней среды. Причем этапы синтеза протекают с затратой энергии.

Катаболизм (katabole - сбрасывание вниз, спуск) представляет комплекс химических реакций распада соединений. Для некоторых из них эта фаза метаболизма включает только их выведение из организма (билирубин, холестерин). Интересно, что многие стадии катаболизма протекают с выделением свободной энергии и запасанием ее в виде макроэргических веществ и использованием позднее в различных процессах жизнедеятельности.

Благодаря локализации ферментов разных фаз метаболизма в специфических компартментах (отсеках, органеллах) клеток эти противоположно направленные процессы протекают одновременно, не мешая, а даже помогая друг другу: продукты катаболизма часто служат субстратами для реакций синтеза, а энергия, высвобождающаяся при распаде, необходима для многих стадий анаболизма; восстановительные эквиваленты, являющиеся продуктами первой фазы, также используются в различных реакциях синтеза (табл. 1).

Процессы, с помощью которых обеспечивается взаимосвязь между фазами метаболизма, называются амфиболическими.

Таблица 1

Основные особенности разных фаз метаболизма

Катаболизм	Анаболизм
Распад Окисление Высвобождение энергии Получение низкомолекулярных соединений из высокомолекулярных	Синтез Восстановление Затраты энергии Образование высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных

Нормальная жизнедеятельность организма обеспечивается динамическим равновесием между разными фазами метаболизма (табл.1), что служит яркой иллюстрацией закона единства и борьбы противоположностей. Так как для синтеза различных структурно-функциональных компонентов клеток требуется энергия, которая выделяется только в процессе катаболизма, то изучение метаболизма начнем с рассмотрения стадий распада.

В процессе катаболических превращений выделяют три этапа (рис. 1).

I – Гидролитическая (пищеварительная). На этой стадии макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, сложные углеводы, липиды) распадаются путем гидролиза на свои основные строительные блоки: полипептиды до аминокислот, полисахариды до моносахаридов, нейтральные жиры до глицерола и высших жирных кислот и т.д.

Процесс может локализоваться вне (распад пищевых крупных мицелл в ЖКТ), а также протекать внутри клеток, если гидролизуются подобные структуры эндогенного происхождения. Для этой стадии практически не характерны экзэргонические (с выделением энергии) реакции: доля высвободившейся в них энергии не превышает 0,6% от всей заложенной в веществах.

Рис. 1. Схема стадий катаболизма

II – Специфический распад - продукты первой стадии с помощью специфических ферментов распадаются до ПВК и ацетил-КоА. Основная цель этапа - привести к общему знаменателю как можно больше субстратов, обеспечив тем самым при минимуме различных энзимов максимум эффективности процесса: гексозы, пентозы, глицерин, гликогенные аминокислоты расщепляются до пирувата; для высших жирных кислот и кетогенных аминокислот эта стадия завершается образованием ацетил-КоА и некоторых других соединений (2-оксоглутарата, сукцината, оксалоацетата – метаболитов цикла трикарбоновых кислот). Часть реакций является экзоэргоническими, при их течении высвобождается до трети заложенной в веществах энергии.

III – Неспецифический распад представляет окончательное разрушение всех немногочисленных по химической природе продуктов II стадии до СО₂, Н₂О. Этот этап включает следующие неспецифические процессы:

- окислительное декарбоксилирование пирувата;

- цикл трикарбоновых кислот;

- сопряженные с ними биологическое окисление и окислительное фосфорилирование.

Заключительная стадия катаболизма служит основным поставщиком энергии: в ходе реакций высвобождается до 2/3 от всей заложенной в соединениях энергии.

Рис. 2. Схема стадий анаболизма

Учитывая тесную взаимосвязь между фазами метаболизма логично предположить, что анаболизм тоже включает три стадии, отличающиеся тем, что они идут в противоположном направлении, причем обычно протекают в других компартментах клетки, и часть реакций в силу их энергозависимости проходит другим путем (рис. 2).

Чтобы не пришлось повторять рассмотрение конечного звена катаболизма для различных биополимеров и выяснить происхождение используемой в процессе жизнедеятельности энергии, этапы метаболизма мы начинаем с завершающей стадии – с изучения энергетического обмена.