2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

пути поступления продуктов переваривания пищи во внутреннюю среду организма: водорастворимые компоненты поступают в печеночную портальную систему и в печень; жирорастворимые вещества поступают в лимфатические сосуды и затем в кровь через грудной лимфатический проток.

Лекция 7

БИОЭНЕРГЕТИКА. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ, ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ

1. Определение биоэнергетики

Биоэнергетика изучает энергетические превращения, сопровождающие биохимические реакции.

Известно, что небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии. Биологические системы функционируют при постоянной температуре и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Превращения молекул происходят в соответствии с химическими законами. Однако сама возможность осуществления этих превращений и полнота их протекания зависят от количества энергии, получаемой системой. Для изучения энергетики процессов привлекают термодинамику.

2. Выяснить, можно ли использовать данную реакцию для совершения полезной работы или же для осуществления реакции требуется энергия из внешнего источника.

Основные начала термодинамики формулируются с помощью энтальпии, энтропии и свободной энергии.

Основные начала термодинамики

Энтальпия Н – полная энергия соединения.

Свободная энергия Гиббса G – энергия, которая может быть переведена в работу.

Энтропия S характеризует меру упорядочивания системы: чем меньше упорядочена система, тем энтропия выше.

∆G=∆H - T∆S,

Т – абсолютная температура.

101

Свободная энергия, используемая клеткой на работу, меньше полной энергии на величину энтропии, т.е. энергия расходуется на усиление беспорядочного движения молекул в системе.

Рассмотрим реакцию:

А→В ∆G = GВ – GА

1) GВ > GА ∆G (+)

Свободная энергия в ходе реакции возрастает, реакция протекает с поглощением энергии. Следовательно, требуется дополнительный источник энергии – эндергоническая реакция.

2) GВ < GА ∆G (-)

Эта реакция может протекать спонтанно с выделением энергии – экзергоническая реакция. Знак (-) показывает, что в систему не нужно добавлять энергию.

3) GВ = GА ∆G=0

Это равновесная реакция.

Главное назначение энергии, генерируемой в биологических системах, заключается в поддержании организма в состоянии, удаленном от равновесия. Например, клетки содержат большие количества полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот при относительно малой концентрации их составных частей – т.е. глюкозы, аминокислот и т.д.

2. Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций (аккумуляторы энергии)

Катаболические превращения (распад и окисление молекул) обычно являются экзергоническими реакциями. Анаболические реакции (реакции синтеза) – эндергонические. В организме эндергонические реакции протекают сопряжено с экзергоническими. Механизм сопряжения состоит в синтезе соединения с высоким энергетическим потенциалом в ходе экзергонической реакции и последующем включении этого нового соединения в эндергоническую реакцию. Следовательно, должен быть этап аккумуляции, т.е. накопления энергии.

В живых клетках главным аккумулятором энергии служит АТФ. Реакции сопряжения могут быть подразделены на 2 группы:

1.Происходящие в немембранных отделах клетки.

2.Локализованные в мембранах.

102

2.1.Немембранные процессы сопряжения

Внемембранных процессах сопряжения основными аккумуляторами энергии служат макроэргические соединения.

Соединения, при гидролизе связей которых выделяется более 30,5 кДж/моль энергии, называют макроэргические.

Они содержат макроэргическую связь, обозначаемою знаком ~ (предложил Липман). Символ ~ (тильда) означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на акцептор сопровождается выделением большого количества свободной энергии. (Неточно говорить «гидролиз связи» - т.к. расщепление связи само требует энергии). Величина 30,5 кДж/моль выбрана не случайно: именно столько энергии при стандартных условиях освобождается при гидролизе АТФ или столько же энергии нужно для синтеза АТФ из АДФ и Рн.

Все макроэргические соединения можно разделить на 3 группы: 1.Богатые энергией фосфаты.

H H

OH OH

АТФ

2.Богатые энергией тиоловые эфиры, образуемые коферментом А (ацетил-КоА), ацилпереносящий белок, S-аденозилметионин и др.

3.НАДФН2 – аккумулятор энергии электронов в цитозоле, обеспечивает электронами и протонами процессы восстановительного биосинтеза.

Впроцессах метаболизма исключительно важную роль играют высокоэнергетические фосфаты, к которым относится АТФ. По величине энергии гидролиза они образуют непрерывный ряд – термодинамическую шкалу.

103

Термодинамическая шкала химических соединений

Вывод: АТФ занимает в шкале среднее положение.

Среднее положение АТФ в термодинамической шкале позволяет ей служить донором высокоэнергетического фосфата для тех соединений, которые в шкале стоят ниже АТФ и забирать его от соединений, стоящих выше.

Экзергоническая реакция:

Таким образом, цикл АТФ/АДФ связывает процессы, генерирующие макроэргические фосфаты, с процессами, их потребляющими.

В клетке синтез АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ, т.е. АДФ + Рн → АТФ. В зависи мости от того, что служит источником энергии для этой эндергонической реакции, фосфорилирование бывает 3-х типов:

1.Окислительное – свободная энергия генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях.

2.Субстратное – синтез АТФ идет за счет использования энергии

макроэргических соединений, стоящих в термодинамической шкале выше АТФ.

3. Фотосинтетическое – с использованием энергии Солнца в процессе фотосинтеза.

Вывод: АТФ – универсальный аккумулятор энергии.

АТФ – универсальный источник энергии. Ее энергия исполь-

зуется в следующих процессах:

104

1.Для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера.

2.Для выполнения мышечной (механической) работы.

3.Для переноса веществ через мембраны против градиента их концентрации (первичный активный транспорт).

4.Для обеспечения точной передачи информации.

Существуют 2 пути гидролиза АТФ:

1. АТФ + Н2О → АДФ + Рн.

2. АТФ + Н2О →АМФ + пирофосфат Н4Р2О7.

Первый путь гидролиза происходит в следующих случаях:

–для сопряженных эндергонических реакций нужно 30,5 или меньше кДж/моль энергии;

–для обеспечения процессов, требующих намного больше энергии, чем 30,5 кДж/моль. При этом используется энергия многих молекул АТФ.

Вреакциях, когда потребность в энергии лишь несколько больше 30,5 кДж/моль, гидролиз АТФ происходит по второму пути.

Вбольшинстве клеток имеется фермент аденилаткиназа. Она

катализирует обратимую реакцию.

АТФ + АМФ ↔ 2 АДФ

Эта реакция выполняет 3 функции:

1.Позволяет синтезировать АТФ из АДФ.

2.Позволяет превратить АМФ, образующийся в ходе ряда реакций активации, в АДФ.

3.В условиях снижения концентрации АТФ (накапливается АДФ), происходит повышение концентрации АМФ, который служит аллостерическим активатором ряда катаболических реакций. В результате увеличивается генерация АТФ.

Существуют еще другие макроэргические соединения, построенные по типу АТФ, они обеспечивают энергией ряд биосинтезов:

–УТФ – синтез углеводов.

–ГТФ – синтез белков.

–ЦТФ – синтез липидов.

2.2. Сопрягающие мембраны

Преобразование энергии в биомембранах описывается схемой:

энергетические ресурсы → ∆μI → работа,

105

где ∆μI – трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I.

Схема означает, что энергетические ресурсы, потребляемые мембраной, сначала используются для транспорта иона через мембрану против сил электрического поля и против градиента концентрации иона. Этот процесс называется энергизацией мембраны. Затем энергия, накопленная в электрической и осмотической формах (∆μI), используется для совершения работы.

Ион I называют сопрягающим ионом. Во внутренней мембране митохондрий таким сопрягающим ионом служит Н+. В плазматической мембране сопрягающим ионом служит Νа+.

Каждая сопрягающая мембрана содержит белковые ансамбли двух типов. Один из них – АТФ – синтаза, т.к. он катализирует энергозависимый синтез АТФ из АДФ и Рн. Второй белковый ансамбль во внутренней мембране митохондрий представлен дыхательной цепью ферментов.

Энергия ∆μН+ может использоваться в следующих процессах:

1.Обратимо превращаться в энергию АТФ (химическая работа);

2.Для вторичного активного транспорта через мембрану веществ против градиента их концентрации (осмотическая работа);

3.Образование теплоты при понижении температуры окружающей среды (теплопродукция);

4.У бактерий за счет энергии ∆μН+ вращается жгутик (механическая работа).

3. Биологическое окисление и пути использования О2

Реакции, включающие перенос электронов, называют окислительно-восстановительными.

Потеря электрона – это окисление, принятие электрона – восстановление.

Окисление органических соединений во многих случаях означает отнятие водорода (дегидрирование).

При окислении протоны и электроны могут независимо отделяться от окисляемой молекулы. В других случаях механизм окисления может включать перенос протона вместе со связанным с ним электроном, т.е. в виде водорода, или протона со связанной парой электронов, т.е. гидрид-иона.

Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется величиной редокс-потенциала. Чем меньше редокспотенциал, тем легче вещество теряет электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал, тем сильнее

106

способность принимать электроны, т.е. сильнее выражены окислительные свойства. Молекула может отдавать свои электроны только молекулам с более высоким редокс-потенциалом. Т.е. если будет цепь окислительно-восстановительных реакций, ее участники будут располагаться в порядке возрастания редокс-потенциала.

Окислить соединение можно и присоединением к нему О2. Биологическое окисление – это совокупность всех окисли-

тельных процессов, протекающих в организме с участием О2.

Способы окисления субстрата:

I. Путем дегидрирования (О2 – акцептор Н2):

1.Отщепляемые от субстрата Н2 переносятся на атом О2 через ряд переносчиков, образуется Н2О, АТФ.

SН2 + ½О2 → S + Н2О + АТФ (тканевое дыхание).

2.Отщепляемые от субстрата водороды сразу переносятся на молекулу О2, образуя перекись, энергия выделяется в виде тепла.

SН2 + О2 → S +Н2О2 + Q (пероксидазное окисление) II.Путем присоединения О2 (оксигеназное окисление):

1. К субстрату присоединяется атом О2, требуется дополнительный субстрат донор водорода.

S + ½О2 → SОН (гидроксилазное окисление) 2. К субстрату присоединяется молекула О2.

S + О2 → SО2 (диоксигеназное окисление)

3. Окисление с участием активных форм О2 (окислительная модификация молекул, свободнорадикальное окисление).

Назначение биологического окисления:

1)Извлечение энергии из различных соединений (тканевое дыха-

ние).

2)Разрушение или обезвреживание ксенобиотиков (пероксидазное, оксигеназное окисление).

3)Биосинтезы (гидроксилазное).

4)Изменение проницаемости мембран, окислительная модификация молекул.

4. Общая характеристика ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, относятся к 1 классу – оксидоредуктазы. Их разделяют на 5 групп:

1. Оксидазы – катализируют удаление водорода из субстрата, используя в качестве акцептора водорода только О2. Содержат Сu, продуктом реакции является Н2О (искл. моноаминооксидаза – Н2О2),

107

например, цитохромоксидаза.

2. Аэробные дегидрогеназы – в отличие от оксидаз могут использовать в качестве акцептора не только О2, но и искусственные акцепторы – например, метиленовый синий, являются флавопротеинами, образуется Н2О2.

3.Анаэробные дегидрогеназы – не способны использовать О2 в качестве акцептора. Бывают НАД-зависимыми, ФАД и ФМНзависимыми, цитохромы.

4.Гидроксипероксидазы – в качестве субстрата используют Нзы2.О2 или органические перекиси. К ним относят пероксидазы, катала-

5.Оксигеназы – катализируют прямое введение О2 в молекулу субстрата.

5. Тканевое дыхание

Тканевое дыхание – это процесс улавливания клеткой энергии в виде АТФ при протекании контролируемого соединения кислорода с водородом с образованием воды.

Характерные черты тканевого дыхания

1.Это часть биологического окисления, где субстрат окисляется путем дегидрирования, акцептором водорода служит кислород, в результате образуется вода, проходит в митохондриях.

2.Водород в виде восстановительных эквивалентов переносится на кислород через дыхательную цепь.

3.Энергия окисления используется для синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.

Рассмотрим каждое положение подробно.

5.1. Митохондрии

Митохондрии – “энергетические станции” клеток. Здесь происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Освобождаемая при окислении энергия используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Большинство восстановительных эквивалентов в форме НАДН и ФАДН2 поставляют ЦТК и β-окисление жирных кислот. Эти процессы локализованы в матриксе митохондрий. Матрикс митохондрий, кроме ферментов ЦТК, β-окисления, содержит пируват-дегидрогеназную систему, другие

ферменты, а также АТФ, АДФ, АМФ, фосфат, НАД+, НАДФ, кофермент А, К+, Mg2+, Cа2+.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема почти для всех молекул и ионов небольшого размера. Внутренняя мембрана

108

относится к сопрягающим мембранам. Здесь расположены ферменты дыхательной цепи, АТФ-синтаза, различные мембранные транспортные системы. Для большинства ионов небольшого размера, в том числе и Н+, она непроницаема.

5.2. Дыхательные цепи

Термин “дыхательная цепь” используют для определения последовательности реакций, ответственных за перенос атомов водорода или электронов в виде восстановительных эквивалентов от субстратов к молекулярному кислороду воздуха. В результате этого переноса образуется вода, т.е. происходит реакция:

2Н2+О2 → 2Н2О+Q

Эта экзергоническая реакция сопровождается в пробирке взрывом, т.е. выделяется большое количество энергии. В клетке этого не происходит, т.к. энергия выделяется не одномоментно, а по этапам – во время движения восстановительных эквивалентов по цепи. Термин “восстановительный эквивалент” – это обобщенное понятие для обозначения переноса электрона без уточнения, в какой форме он переносится. По дыхательной цепи перенос электрона совершается в

различной форме: переносятся гидрид-ионы, водородные атомы и просто электроны.

Дыхательная цепь состоит из ряда белков-ферментов с прочно присоединенными простетическими группами, обладающими способностью присоединять и отдавать электроны и расположена во внутренней мембране митохондрий.

Эти белки располагаются в определенной последовательности (по возрастанию редокс-потенциала). Каждый из них способен присоединять электроны от предыдущего участника цепи и передавать их следующему участнику цепи. Электроны, поступающие в эту цепь переносчиков, богаты энергией, но по мере их продвижения по цепи они теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ.

Различают полную и укороченную дыхательную цепи.

Схема дыхательных цепей:

109

Участники полной дыхательной цепи:

1.НАД-зависимые дегидрогеназы.

2.ФМН-зависимые дегидрогеназы.

3.Убихинон (кофермент Q).

4.Цитохромы.

В укороченной дыхательной цепи нет НАД-зависимых дегидрогеназ, т.е. она короче на один фермент.

Окисляемые субстраты служат источниками восстановительных эквивалентов. Различают 3 рода субстратов:

1.Углеводородные (сукцинат, ацил-КоА). Средняя энергия окисления пары электронов этих субстратов 150 кДж/моль. Это

меньше, чем энергия окисления пары электронов в системе НАД+/НАДН (200 кДж/моль). Поэтому НАД-зависимые дегидрогеназы не могут участвовать в окислении этих субстратов. Они окисляются ФАД-зависимыми дегидрогеназами, т.е. в укороченной дыхательной цепи.

2.Спиртовые (лактат). Средняя энергия отщепления пары электронов = 200 кДж/моль. Окисляются НАД-зависимыми дегидрогеназами, т.е. в полной дыхательной цепи.

3.Альдегидные (3-фосфоглицериновый альдегид), энергия отщепления пары электронов 250 кДж/моль. Это больше, чем требуется для окисления НАД-зависимыми дегидрогеназами, поэтому при их окислении образуется не только НАДН, но и часть энергии используется для синтеза высокоэнергетических соединений.

5.3. Механизм переноса восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи

Внутренняя мембрана митохондрий, где расположены дыхательные цепи, относится к сопрягающим мембранам.

Рассмотрим механизмы переноса протонов и электронов по полной дыхательной цепи.

1. Окисление субстратов 2 и 3 рода НАД-зависимыми дегидрогеназами.

Субстраты 2 и 3 рода располагаются в матриксе митохондрий и цитозоле. Здесь же располагаются и ферменты, их окисляющие. Это по строению сложные ферменты: пиридин-зависимые или НАД-

зависимые дегидрогеназы, в качестве кофермента служит НАД или

НАДФ. Они могут называться и по субстрату – малатдегидрогеназа, лактатдегидро-геназа.

110