- •З біологічної хімії
- •Рецензент проф. В.Д. Бовт
- •Питання до іспиту……………………………………………………………… 79
- •Тематичне розподілення навчального матеріалу а. Тематичне розподілення лекційного матеріалу
- •В. Тематичний план лабораторних і семінарських занять
- •Техніка безпеки при роботі у біохімічній лабораторії
- •Забороняється з метою уникнення травм, опіків, нещасних випадків:
- •Перша домедична допомога
- •Вимоги до оформлення лабораторного журналу і робочого місця
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Питання до семінарського заняття:
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Теоретична частина:
- •Цитозін
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Теоретична частина:
- •Властивості ферментів:
- •Реакція
- •Практична частина:
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Питання до семінарського заняття:
- •Теоретична частина:
- •Тканьовий подих
- •Практична частина:
- •Контрольні питання
- •Питання до семінарського заняття:
- •Теоретична частина:
- •Катаболізм амінокислот:
- •Біосинтез сечовини (орнітиновий цикл)
- •Практична частина:
- •Теоретична частина:
- •Практична частина:
- •Питання до семінарського заняття:
- •Теоретична частина:
- •Взаємний зв'язок різних форм обміну речовин в організмі
- •Практична частина
- •Контрольні питання
- •Питання до семінарського заняття:
- •Питання до іспиту
- •Список рекомендованої літератури
- •Практикум з біологічної хімії до лабораторних і семінарських занять для студентів біологічного факультету денної та заочної форм навчання
Тканьовий подих
Основною функцією тканьового подиху є забезпечення клітин енергією, необхідної для здійснення роботи (м'язове скорочення, перенос речовин через мембрани проти градієнта концентрації, біосинтез і т.д.).
Один оборот циклу трикарбонових кислот приводить до повного перетворення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу відповідно за наступним рівнянням:
Н3С – З – СООН +4НАД + ФАД+АДФ+РНЕОРГ 3З2 + 4НАДН• Н+ +
+ФАДН2+АТФ.
У рівнянні всі компоненти записані в недисоційованій формі, хоча при фізіологічних значеннях рн у реакцію вступають відповідні аніони й катіони.
Окиснені і відновлені коферменти, наведені в рівнянні, є коферментами дегідрогеназ циклу трикарбонових кислот (НАД – для піруват-, ізоцитарт-, а-кетаглутарат і малатдегідрогенази, ФАД – для сукцинатдегідрогенази). Рівняння враховує утворення АТФ у реакції окисного декарбоксилювання а -кетоглутарату.
При розгляді енергетики подиху "головним продуктом" розпаду піровиноградної кислоти варто вважати водень, збережений у вигляді відновлених коферментів.
Розглянемо енергетику окиснення відновленої форми нікотинамідаденіндинуклеотиду киснем - головним універсальним окислювачем, що надходить у клітини з артеріальної крові.
Зміна вільної енергії в реакції
НАДН• Н+ + ½02 →НАД+ + Н20 (1)
може бути визначена з рівняння:
G = n·F·Е´0 , (2)
де G – зміна вільної енергії окислювально-відновної реакції; ,
n – число електронів, що беруть участь в окисному перетворенні;
Е0 – різниця стандартних окислювально-відновних потенціалів реагуючих речовин при рн = 7;
F – тепловий еквівалент роботи, рівний 23,062 ккал/вольт.
При рн = 7 окислювально-відновні процеси для реакції (1) можуть бути записані в такий спосіб:
½O2+2е+2H+ → H2O (E0' = + 0,82B),
НАДН·Н+ → НАД+ +2е +Н+ (E0' = + 0,32B).
Різниця окислювально-відновних потенціалів цих напівреакцій дорівнює:
Е0' = 0,82 У - (-0,32 У) = 1,14 У.
Вільна енергія реакції (1) може бути тепер розрахована за рівнянням (2):
G = -(2) х 23,062 х 1,14 = -52,6 ккал.
Таким чином, окиснення одного г-моля відновленого НАД одним г-атомом кисню супроводжується виділенням 52,6 ккал.
Потенціал пари ФАД/ФАДН2 дорівнює нулю, і розрахунок величини вільної енергії при окислюванні ФАДН2 киснем дає величину
G = -37,8 ккал/моль.
Сумарна зміна вільної енергії при окисненні киснем п'яти пар атомів водню, запасених у вигляді відновлених коферментів, у ході окиснення піровіноградної кислоти становить:
4 х (-52,6) + 1 х (-37,8) = -248 ккал/моль, що значно більше величини вільної енергії анаеробного розпаду глюкози до молочної кислоти (G = -47 ккал/моль).
Таким чином, головним у кількісному відношенні процесом, що забезпечує клітини енергією, є аеробне окиснення або подих.
Процес окиснення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу й відновлених коферментів, а також окиснення останніх киснем відбувається у високоспеціалізованих органелах – мітохондріях. Мітохондрії є замкнуті структури, утворені фосфоліпідними мембранами, що містять спеціальні ферменти - дихальні переносники. Функція цих ферментів (флаво- і гемопротеїдів) складається в послідовному переносі Н+ і електронів від відновлених коферментів (НАДН·Н+, ФАДН2) до кисню. Послідовність переносу Н+ і електронів у ланцюгц цих ферментів (дихальний ланцюг) може бути представлена у вигляді наступної схеми (см. с. 65).
Варто звернути увагу, що в дихальному ланцюзі є три ділянки, в яких перенос електронів супроводжується більшим зниженням енергії (потік електронів спрямований завжди таким чином, щоб у результаті вільна енергія системи зменшувалася). Це ті ділянки, де енергія, яка вивільняється, запасається, тобто використовується для синтезу АТФ.
Окиснення одного моля НАДН-Н2 або одного молі бурштинової кислоти киснем за допомогою дихального ланцюга сполучено з утворенням трьох і двох молів АТФ відповідно. Молекулярний механізм сполучення реакцій переносу електронів з утворенням АТФ (окисне фосфорилювання) не може вважатися розшифрованим. Але у цей час одержала визнання хеміосмотична гіпотеза П.Мітчела, що намагається пояснити сполучення переносу електронів із синтезом АТФ. Через недолік місця ми не можемо її розглянути й відсилаємо студентів до посібників А.Ленінджера і Л.Страйера, в яких досить докладно викладені принципи хеміосмотичної гіпотези.
Термодинамічний розгляд сполученого з переносом електронів фосфорилювання показує, що з 52,6 ккал вільної енергії окиснення НАДН·Н+ киснем 30 ккал запасаються у вигляді АТФ. При окисненні бурштинової кислоти [G - -37,8 ккал/моль] 20 ккал запасаються у вигляді АТФ. Інша енергія розсіюється у вигляді тепла.
Загальне число молекул АТФ, які утворюються при окисненні однієї молекули піровиноградної кислоти через цикл трикарбонових кислот становить:
(4 х 3) + (1х 2) + 1 = 15.
14 молекул АТФ утворюється при переносі електронів по дихальному ланцюзі і 1 молекула АТФ – при розпаді сукциніл-КоА, який утворився при окисному декарбоксилюванні а-кетоглютарової кислоти. Звідси випливає, що окиснення двох молекул піровиноградної кислоти, яка утворюється в процесі гліколізу з однієї молекули глюкози, супроводжується утворенням тридцяти молекул АТФ.
В аеробних умовах піровиноградна кислота не може служити акцептором протонів і електронів з відновленого НАДН-Н+, утворення якого відбувається на стадії окиснення гліцеральдегид-3-фосфату, і, отже, молочна кислота в цих умовах не утворюється. Відомо, що внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для піридиннуклеотидів. Перенос відбудовних еквівалентів від цитоплазматичного НАДН-Н у мітохондрії здійснюється непрямим шляхом, а завдяки функціонуванню спеціальних човникових систем:
1) Малатаспартатна човникова система, що діє в мітохондріях серця, печінки, бруньок (сама активна, двостороння, тобто здатна переносити еквіваленти, що відновлюють, також з мітохондрій у цитозоль). Завдяки малатаспартатній човниковій системі відбудовні еквіваленти, перенесені в мітохондрії на НАД+ з утворенням НАДН, що надходить у дихальний ланцюг, передає електрони далі по дихальному ланцюзі. При цьому синтезується 3 молекули АТФ.
НАДФН
а –кетоглютарат малат
ізоцитрат В – гідрооксибутират
піруват НАД
Е - ФМН
Ділянка (1)
[Fe – S]n АТФ
КоА – похідні Ko Q Сукцинат(бурштинова кислота)
жирних кислот
інші флавінзалежні
дегідрогенази
гліцерофосфат
цит.в
Ділянка (2)
цит.с1 АТФ
цит.с
цит.аа3 Ділянка (3)
( цитохромооксидаза) АТФ
О2
2) Гліцеролфосфатна човникова система – човникова система іншого типу. Вона відрізняється від описаної вище малатаспартатної човникової системи кінцевим етапом своєї дії (однобічна), тобто, переносить еквіваленти, які відновлюють, із цитозолю тільки в мітохондрії і передає їх у дихальний ланцюг не на ділянку 1, а на ділянку 2. Окиснення НАДН у цьому випадку дає не три молекули АТФ, а тільки дві (див. схеми дихального ланцюгу). Звідси неважко розрахувати сумарний енергетичний баланс повного окиснення однієї молекули глюкози в аеробних умовах (з урахуванням окиснення гліколітичного НАДН·Н+ у мітохондріях). Він дорівнює 36 молекулам АТФ при функціонуванні гліцеролфосфатної човникової системи та 38 молекулам АТФ – у випадку малатаспартатної човникової системи. Нагадаємо, що при гліколізі утворюється усього лише 2 молекули АТФ на одну молекулу глюкози. Просте зіставлення цих величин показує, що енергетична ефективність аеробного окиснення глюкози в 16 - 18 раз вище у порівнянні з анаеробним перетворенням глюкози в молочну кислоту в процесі гліколізу.