17

Введение в обмен веществ. Биологическое окисление.

1. Общие представления об обмене: катаболизм и анаболизм.

2. Общие представления о биоэнергетике.

3. Представления о термодинамике биосистем.

4. Биологическое окисление.

5. Современные представления о тканевом дыхании.

Живые организмы находятся в постоянной и неразрывной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ. Обмен веществ включает 3 этапа:

- поступление веществ в организм,

- метаболизм,

- выделение конечных продуктов из организма.

Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания перевариваются (расщепляются до простых веществ). При переваривании происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и других сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека - СО₂, Н₂О и мочевина H₂N-(CO)-NH₂. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток.

Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии - экзергонические реакции.

Анаболизм - процессы биосинтеза, объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма.

В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме - эндергонические реакции.

Общая схема обмена веществ и энергии. 1 - пищеварение; 2 - катаболизм; 3 - анаболизм; 4 - распад структурно-функциональных компонентов клеток; 5 - экзергонические реакции; 6,7 - эндергонические реакции; 8 - выведение из организма.

После всасывания аминокислот, жирных кислот и глицерола, нуклеотидов, транспорта и распределения их по всем клеткам организма начинаются специфические пути катаболизма.

Специфические пути катаболизма Жирные кислоты в процессе |3-окисления (в митохондриях) превра­щаются в ацетил-КоА. Глицерол че­рез стадию глицеральдегида превра­щается в глицеральдегид-3-фосфат и поступает в гликолиз. Моносахариды, поступая в клетку, преобразуются в форму глюкозы, а затем вступают в гликолиз в цитозоле.

Аминокислоты, после удаления ами­ногруппы, превращаются в кето-кислоты. Первая реакция распада аминокислот это отделение амино­группы. Часть аминокислот (1) затем превращается в пируват (они называ­ются гликогенные), часть в молекулу ацетил-КоА (2) (они называются кетогенные) и промежуточные продук­ты цикла трикарбоновых кислот (3). Специфическими путями катаболизма называют внутриклеточное превра­щение жирных кислот, моносахаров и аминокислот в универсальные моле­кулы пирувата и ацетил-КоА.

Общий путь катаболизма. Начинается с пирувата CH₃-(CO)-COOH, ко­торый превращается в молекулу ацетил-КоА CH₃-(CO)~KoA под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях. Затем молекула ацетил-КоА подвер­гается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса), где из неё из­влекаются высокоэнергетические электроны. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН₂ вовлекают­ся в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), расположенную на внутренней мембране митохондрий. Энергия электронов расходуется на синтез АТФ – 40-40%, на транспорт веществ через мембраны – 25%, остальная энергия расходуется на тепло и на поддержание температуры тела.

Если организму необходимо, то часть энергии, которая идет на синтез АТФ, может пойти на тепло. Этот процесс называется разобщением дыхания и фосфорилирования. Этот процесс наблюдается при охлаждении тела, для поддержания температуры у новорожденных, у впадающих в зимнюю спячку животных. У последних существует особая ткань, специализирующаяся на теплопродукции - бурый жир. Эта ткань содержит большое число митохондрий, что влияет на его цвет.

Таким образом, обмен веществ тесно связан с обменом энергии.

Биоэнергетика — раздел биохимии, который изучает биохимические механизмы, приводящие к генерации различных форм биологической энергии. Каждое орга­ническое соединение обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии молекулы может быть использована для соверше­ния полезной работы. Эту энергию называют свободной энергией (G) молекулы. Она представляет собой энергию валентных электронов, участвующих в образо­вании химических связей. Источники энергии для организма - это химические ре­акции, в которых молекулы, содержащие атомы углерода в восстановленном со­стоянии, подвергаются окислению. При этом специальные дыхательные перенос­чики (молекулы НАД⁺ и ФАД) присоединяют протоны и электроны (восстанавли­ваются) и в таком виде транспортируют атомы водорода к дыхательной цепи.

Реакции катаболизма, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии (-ΔG), являются донорами не только структурных предшественников, но и обеспечивают энергетически процессы анаболизма (+ΔG).

Если ΔG – отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии (экзергонические реакции) – катаболические превращения.

Если ΔG – положительно, реакции протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические) – анаболические реакции.

Если ΔG = 0, то система находится в равновесии.

Внутриклеточные химические реакции могут быть представлены в виде: