5. Макроэргические молекулы. Атф: строение, синтез, значение.

Макроэрги́ческие соедине́ния - группа природных веществ, молекулы которых содержат богатые энергией, или макроэргические, связи.

В АТФ цепочка из трех фосфатных остатков связана с 5'-OH-группой аденозина. Фосфатные группы обозначаются как α, β и γ. Рибоза связана с α-фосфатом фосфоэфирной связью. Три фосфатных остатка соединены между собой менее устойчивыми фосфоангидридными связями.

АТФ – универсальный источник энергии в биохимических процессах.

Способы синтеза АТФ:

1. Основан на переносе фосфатных остатков на АДФ через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп. Типичным примером является образование АТФ из креатинфосфата.

2. субстратное фосфорилирование - реакции, в которых реакциях неорганический фосфат (Рi) переносится на АДФ за счет высокого химического потенциала

3. фотосинтетическое фосфорилирование

4. Окислительное фосфорилирование. Наиболее эффективный способ синтеза АТФ. Происходит в аэробных условиях, использует энергию градиента электрохимического потенциала.

Другие макроэргические соединения (ГТФ, ЦТФ и УТФ), химически похожи на АТФ, но их роль в организме более специфична – играют роль поставщиков энергии в различных биосинтетических процессах и взаимопревращениях углеводов, липидов.

NAD (НАД) —никотинамидадениндинуклеотид –

динуклеотид, молекула которого построена из амида никотиновой кислоты и аденина, соединенных между собой цепочкой, состоящей из двух остатков D-рибозы и двух остатков фосфорной кислоты.

Молекула NADH является переносчиком энергии и восстановленный кофермент может быть использован как субстрат в реакции окислительного фосфорилирования в митохондрии: молекула NADH окисляется в NAD⁺, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) трем АТФ (2,5).

FAD (ФАД) — флавинадениндинуклеотид - окислительно-восстановительный кофактор, принимающий участие в некоторых важных биохимических процессах.

Молекула FADH2 окисляется в FAD, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) двум АТФ (1,5).

Система трансформации энергии включает следующие компоненты:

• замкнутая сопрягающая мембрана;

• локализованная в мембране электрон-транспортная цепь;

• трансмембранный электрохимический протонный градиент - ΔμH+ , генерируемый работой цепи;

• АТФ-синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Ф за счет энергии ΔμH+

другим местом накопления химической энергии являются биологические мембраны, работающие по принципу конденсатора, разделяя и накапливая подобно изолирующему слою заряженные атомы и молекулы (ионы).

Неравномерное распределение ионов порождает химическую движущую силу, обеспечивающую перемещение ионов из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Такое перемещение ионов продолжается до достижения динамического равновесия.

АТФ-синтаза состоит из двух компонентов: канала протонов (F0) и управляемого им белкового комплекса (F1), который трансформирует энергию потока протонов через мембрану в химическую энергию АТФ.

Встроенный в мембрану комплекс Fo отвечает за перенос протонов через мембрану.

Внемембранный комплекс F1 выполняет каталитические функции по синтезу/гидролизу АТФ.

Между собой Fo и F1 комплексы соединённы γ-субъединицей

Конформации меняются при вращении γ-субъединицы вместе с c-кольцом домена FO.

Движущей силой в этом процессе является перенос протона, катализируемый доменом FO. При этом сам α/β гексамер не вращается, так как он удерживается субъединицой δ, в свою очередь связанной с неподвижными субъединицами a и b, которые относятся к FO.

Т.е. АТФ-синтаза является машиной синтеза АТФ, работающей «на протонах».

6. Этапы энергетического обмена: подготовительный, бескислородный (гликолиз), кислородный. Брожение.

Этапы энергетического обмена:

1. Подготовительный

2. Бескислородный

3. Кислородное расщепление.

Первый этап – подготовительный (ЖКТ)

Сложные органические вещества расщепляются до простых соединений или мономеров

Белки ® аминокислоты

Липиды ® глицерин + жирные кислоты

Углеводы ® глюкоза

Мономеры вместе с кровью поступают в клетки, где претерпевают дальнейшие изменения.

Второй этап – анаэробный (бескислородный) - (в цитоплазме клеток)

В клетках животного организма этот процесс протекает в форме окисления глюкозы и сопровождается ее расщеплением – гликолиз. Расщепляется именно глюкоза, так как она является энергетически очень емким веществом. Гликолиз осуществляется без участия кислорода, поэтому его ещё называют бескислородный или неполное расщепление.

Образуется промежуточный продукт – пировиноградная кислота, которая в дальнейшем в животных клетках превращается в молочную кислоту. Обязательными участниками гликолиза обязательно являются АДФ и Н₃РО₄. Оба эти вещества всегда имеются в клетке, так как они образуются в результате её жизнедеятельности. В процессе гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ и освобождается 4 атома водорода, которые захватываются акцептором водорода НАД⁺.

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ + 2НАД+ = 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ +2Н₂О + 2НАД*Н + тепло

В результате освобождается небольшое количество энергии порядка 200 кДж/моль глюкозы. 60% данной энергии рассеивается в виде тепла, а 40% - идет на синтез АТФ.

В клетках растительного организма, дрожжей и ряда бактерий бескислородный этап энергетического обмена протекает в форме брожения (ферментативное расщепление органических веществ, преимущественно углеводов) . Выделившаяся энергия также запасается в виде двух молекул АТФ: общий промежуточный продукт брожения - пировиноградная кислота СН3С(О)СООН, образование которой из углеводов в большинстве случаев протекает таким же путем, как в гликолизе. Все превращения осуществляются с участием ферментов.

В зависимости от конечного продукта реакции различают несколько видов брожения

1. Спиртовое брожение: осуществляется так называемыми дрожжами, а также некоторыми плесневыми грибками.

2. Молочнокислое брожение: осуществляется лактобактериями, которые могут жить и в присутствии кислорода. Живут в молоке и продуктах его переработки, на растениях, в кишечнике и на слизистых оболочках человека.

3. Муравьинокислое брожение: осуществляется энтеробактериями, конечным продуктом брожения наряду с другими органическими кислотами и спиртами может быть муравьиная кислота ,которая часто распадается на водород и углекислый газ, поэтому эти бактерии часто называют газообразующими.

4. Маслянокислое брожение: осуществляется группой анаэробных бактерий, называемых клостридиями, которые могут сбраживать углеводороды до масляной кислоты и ряда других соединений (ацетона, пропанола, бутанола).

В дальнейшем пируват транспортируется в митохондриальный матрикс, где декарбоксилируется пируватдегидрогеназным комплексом. В результате этой реакции происходит перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2

Третий этап – кислородное расщепление (клеточное дыхание) –на внутренней мембране митохондрий

Продукт гликолиза — пировиноградная кислота — заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях, где пировиноградная кислота подвергается ферментативному расщеплению в митохондриях в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот или цикле лимонной кислоты) и в цепи переноса электронов.

Цикл Кребса состоит из 8 стадий, в ходе которых происходит:

1) полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО₂,

2)образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН₂), что является главным источником энергии, производимой в цикле Кребса.

3) образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

Суммарное уравнение полного окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38(?)АДФ + 38Н₃РО₄® 6СО₂ + Н₂О + 38(?)АТФ