- •Тема 2.
- •Биохимические реакции цтк( для ознакомления записи биохимических реакций)
- •Энергетический баланс одного оборота цтк
- •Березов т.Т., Коровкин б.Ф. Биологическая химия: Учебник.-3-е изд.-м.: Медицина. 2004.- 704 с. С. 298 – 318.
- •Биохимия. Учебник/ Под ред. Е.С.Северина.-м.: гэотар-мед, 2004.-
- •Лекции по курсу биохимии. Тема: Энергетический обмен. Биологическое
Тема 2.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ
ОКИС
ответь
Пути использования кислорода в клетке.
Свободно-радикальное окисление в клетке – образование
активных форм кислорода.
Живые организмы представляют собой термодинамически открытые системы, которые могут существовать только при условии непрерывного обмена энергией с окружающей средой.
В зависимости от вида потребляемой энергии все организмы разделяют на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Гетеротрофы используют для поддержания жизнедеятельности энергию химических связей органических соединений, которые синтезируются другими организмами.
Различают три этапа обмена веществ:
- поступление веществ в организм
- метаболизм (трансформация и усвоение)
- выделение конечных продуктов обмена
Внутриклеточный метаболизм – промежуточный обмен - включает в себя два направления: катаболизм и анаболизм. В ходе катаболизма происходит непрерывное выделение энергии на клеточном уровне, органические молекулы превращаются в конечные продукты обмена.
В результате анаболизма химически чуждые организму вещества превращаются в специфические для организма человека. Для процессов синтеза и других направлений жизнедеятельности используется энергия, выделившаяся в процессе катаболизма.
Наибольшее изменение свободной энергии дают реакции окисления.
Биологические реакции окисления субстратов могут осуществляться анаэробным и аэробным путями.
Перенос электронов осуществляется с участием специфических дегидрогеназ, в составе которых присутствуют коферменты НАД + или ФАД.
Восстановленный Окисленный
субстрат + НАД +(ФАД) субстрат + НАДН + Н+ ( ФАДН2)
окисленный восстановленная форма
пиридиннуклеотид
В случае анаэробных процессов окисление восстановленных форм пиридиннуклеотидов
для регенерации окисленной формы осуществляется без участия кислорода, при помощи окислителя иной природы, который после своего восстановления удаляется из клетки
Например, таким окислителем в экстремальных условиях может быть метиленовая синь1
Полностью анаэробный тип обмена характерен для небольшого вида клеток или структур организма человека, к ним следует отнести эритроцит, белые мышцы, водитель сердца. Учитывая их физиологические функции, становится ясным, почему процессы катаболизма в них не должны зависеть от присутствия кислорода.
Окислителем НАДН в отсутствие кислорода служит пировиноградная кислота., которая превращается в молочную ( лактат)
НАДН + Н+ + пируват НАД+ + лактат
В случае аэробного типа обмена конечным акцептором протонов и электронов является кислород. Восстановленный пиридиннуклеотид не окисляется кислородом, передача электронов происходит с участием переносчиков, которые расположены во внутренней мембране митохондрии.
Переносчики располагаются в соответствии с изменением их редокс-потенциала( окислительно- восстановительного потенциала ) и носят название «дыхательная цепь» (митохондриальная электронтранспортная цепь) Заключительным этапом является восстановление кислорода и образование воды.
½ О2 + 2Н+ + 2е = Н 2О
В сутки образуется 300 – 500 г метаболической воды( она выделяется в составе мочи, с выдыхаемым воздухом, поступает в состав крови, тканей).
Только аэробный тип обмена присущ нейронам, поэтому мозг чрезвычайно чувствителен к гипоксии и гибель нейронов наступает через 5-7 мин после прекращения поступления кислорода.
В большинстве тканей возможны оба пути обмена.
Запасание энергии химических связей происходит путем образования особых высокоэнергетических соединений (макроэргических соединений - МЭС).
В организме человека встречаются МЭС: фосфаты и тиоэфиры.
Фосфаты
|
- G Ккал/ моль |
Тиоэфиры |
- G Ккал/моль |
Фосфоенолпируват
|
14,8 |
СукцинилКоА |
8,7 |
1,3-дифосфоглицерат |
11,8 |
АцетилКоА |
3,7 |
АТФ
|
7,0 |
|
|
АТФ – самое распространенное МЭС в организме. В физиологических условиях клетки изменение свободной энергии при гидролизе макроэргической связи составляет -7,3 ккал/моль(- 30 кДж/моль), максимальное значение - 12 ккал/ моль.
Пионером в изучении процессов биологического окисления в 18 веке был французский ученый А. Лавуазье, который указал на участие кислорода, сравнив процесс окисления с горением. Позднее российский ученый А.Н.Бах предположил перекисную теорию окисления и образование перекисных соединений.
Другой российский ученый ботаник и биохимик В.И.Палладин доказал, что существуют особые переносчики водорода – дегидрогеназы и что в составе СО2 атомы кислорода
не имеют происхождение от кислорода вдыхаемого воздуха.
Пути использования кислорода в клетке:
энергетический путь обмена - восстановление кислорода в электронтранспортной цепи митохондрий (митохондриальное биологическое окисление, БО, используется примерно 90% поступающего кислорода ). Процесс сопровождается образованием АТФ и выделением воды.. Ферменты, передающие электроны непосредственно кислороду, называются оксидазы (например, в митохондрии - цитохромоксидаза а/а3)
пластический путь обмена - восстановление кислорода в электронтранспортной цепи, расположенной в мембранах эндоплазматического ретикулума - ЭПР (микросомальное БО). Процесс связан с синтезом гормонов, нейромедиаторов, метаболизмом ксенобиотиков, в том числе лекарственных препаратов, и образованием активных форм кислорода.
Оксидоредуктазы, участвующие в этих реакциях, имеют рабочее название
оксигеназы. Монооксигеназы или гидроксилазы включают в состав субстрата один
атом, диоксигеназы - два атома кислорода.
образование активных форм кислорода-свободно-радикальное окисление ( используется примерно 5% кислорода) - важный фактор в процессе адаптации клетки, процессах клеточной защиты (фагоцитоз). Возможны каталитические и некаталитические пути возникновения активных форм, которыми являются супероксид , пероксид , гидроксид-радикал .
Питание – представляет собой составную часть обмена веществ и создает условия для организации промежуточного обмена. Из продуктов питания образуются затем конечные продукты катаболизма - вода, углекислый газ и мочевина, которая содержит азот поступающих белков, аминокислот.
При сбалансированном питании соотношение белки : жиры: углеводы равно 1:1:4.
Продукты питания перевариваются в ЖКТ и превращаются в более простые вещества. Несколько упрощая, можно сказать:
углеводы( крахмал, сахароза, лактоза) превратятся в глюкозу, белки – в свободные аминокислоты, жиры- в глицерин и высшие жирные кислоты.
Попав внутрь клетки, вещества метаболизируют и образуют несколько унифицированных общих субстратов.
Путь до пировиноградной кислоты.
Глюкоза, глицерин, часть аминокислот в цитоплазме клетки превращаются в пировиноградную кислоту.
В анаэробных условиях пируват восстанавливается в молочную кислоту, которая
является конечным продуктом обмена для белых мышц, эритроцитов. Лактат
выделяется в кровь.
Жирные кислоты в анаэробных условиях не метаболизируют( не изменяются! )
Путь до АцКоА.
В присутствие кислорода пируват, жирные кислоты и аминокислоты в матриксе митохондрии превращаются в активную форму уксусной кислоты АцетилКоА. Начинается новый этап катаболических реакций биологического окисления - цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса.
Вещество оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота, щук) непрерывно регенирирует в циклическом процессе, а два атома углерода АцКоА выделяются в виде двух молекул СО2.
Для поддержания достаточной концентрации ЩУК возможен дополнительный синтез ее с участием фермента пируваткарбоксилазы. Реакции, играющие такую роль, называются анаплеротическими.
Пируват + СО2 + АТФ = ЩУК + АДФ + Фн
Последовательность превращений субстратов в цикле Кребса:
АцКоА + ЩУК ----1----цитрат--2-- цис-аконитовая кислота--2---изоцитрат---3----
α -кетоглутарат----4---сукцинилКоА-----5-----сукцинат----6-----фумарат---7----
-малат---8----ЩУК
Ферменты:
цитратсинтаза ( лиаза)
аконитаза, катализирует обе реакции дегидратации и гидратации (лиаза)
изоцитратДГ ( НАД ---------НАДН + Н+, оксидоредуктаза, выделяется СО2 )
α –кетоглутатарат ДГ ( мультиферментный комплекс, содержит ТПФ, липоевую кислоту, НS КоА, ФАД, НАД------НАДН + Н+, выделяется СО2 ).
сукцинилтиокиназа (синтетаза). СукцКоА - макроэргическое соединение.
Превращение СукцКоА-------сукцинат сопровождается синтезом ГТФ
ГДФ + Ф = ГТФ
ГТФ + АДФ = ГДФ + АТФ
Синтез АТФ, который осуществляется за счет энергии макроэргической связи субстрата, называется субстратное фосфорилирование.
6. сукцинатДГ ( ФАД-------ФАДН2, оксидоредуктаза )
7. фумараза (лиаза)
8. малат ДГ (НАД------НАДН + Н+, оксидоредуктаза)
Важнейшими регуляторными реакциями считаются 1, 3, 4. Их активность зависит от соотношения НАД/ НАДН и АДФ/ АТФ. Самой медленной является реакция 3. Реакция 1 активируется при повышении концентрации ЩУК и тормозится при накоплении цитрата. НАД, НАДН, Вещества сукцКоА, КоА, ацетилКоА не имеют белков - переносчиков и не могут пройти в цитозоль из матрикса сквозь мембрану митохондрии.