Обмін енергії в організмі

План 1. Обмін речовин – функція живого 2. Перетворення хімічної енергії в організмі: 1. Перекисна теорія 2. Теорія Паладіна 3. Сучасні уявлення про механізм процесу біологічного окислення 3. Механізм переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу: 1. Аеробне та анаеробне окислення 2. Окислювальне фосфорилювання 3.3. Вільне та спряжене окислення 4. Макроергічні зв‘язки та макроергічні сполуки Починаючи вивчення курсу біохімії ми визначили основні характеристики живого організму. На відміну від предметів неживої природи живі об‘єкти здатні до самовідтворення з передачею генетичної інформації. Являючись відкритими системами – активно взаємодіють з навколишнім середовищем, підтримуючи тим самим власну внутрішню рівновагу (гомеостаз). В основі останнього лежить надходження енергії харчових субстратів з оточуючого середовища в організм і виведення з нього кінцевих продуктів внутрішнього обміну. Сукупність обмінних процесів між живою системою та оточуючим середовищем отримали назву метаболізму, а реакції що приводять до утворення кінцевих продуктів життєдіяльності організму називають внутрішнім обміном. Реакції внутрішнього обміну за напрямками їх протікання та характером кінцевих продуктів поділяють на: Проміжний обмін – комплекс хімічних перетворень речовин які щойно потрапи-ли в організм ззовні. Пластичний обмін – сукупність хімічних процесів що приводять до синтезу специфічних для організму речовин: ферментів, гормонів, енерговмісних сполук, структурних елементів клітини. Функціональний обмін – включає біохімічні реакції які забезпечують функціональну активність клітин, тканин та органів. Обмін речовинами в живій системі забезпечується взаємопов‘язаними але протилежними процесами асиміляції та дисиміляції. Асиміляція – засвоєння та перетворення речовин оточуючого середовища у специфічні для організму сполуки.

Дисиміляція – розпад речовин організму до кінцевих продуктів та виведення їх з організму. Сонячна енергія, у глобальному понятті, єдине джерело енергії планети Земля. Сонце виділяє 1023 Ккалорій енергії на рік. Кількість енергії що падає на Зелю щоденно, еквівалентна 10 атомних зарядів що впали на Хіросіму. Частина енергії затримується у верхніх шарах атмосфери, частина, відбиваючись від поверхні, розсіюється у вигляді тепла і лише 1 % її перетворюється в енергію хімічних зв‘язків органічних сполук завдяки процесам фотосинтезу.

Людина як не фотосинтезуюча система не має можливості безпосередньо засвоювати cонячну енергію для підтримання процесів життя.

Функціональна активність організму забезпечується зовнішнім надходженням енергії у вигляді хімічної енергії харчових продуктів. 2. Перетворення хімічної енергії в організмі Питання про трансформацію енергії хімічних зв‘язків у фізіологічні функції давно хвилювало вчених.

Ще у 18 сторіччі Лавуазьє помітив подібність процесів дихання організму та горіння органічних речовин.

Для підтримання обох процесів необхідним є кисень, а кінцевими продуктами являються вода і вуглекислий газ. Після відкриття Лавуазьє за короткий проміжок часу виникло багато теорій біологічного окислення органічних речовин. 2.1 Перекисна теорія Шенбайна–Баха Передумовою створення послужило відкриття Шенбайном озону, який здатний окислювати деякі речовини при звичайній температурі утворюючи пероксиди.

Суть: 1. Кисень повітря попадаючи в організм активується під дією легкоокисних речовин ( оксигеназ) з утворенням пероксидів. О оксигеназа + О2 ОКСИГЕНАЗА О Кисень пероксиду оксигенази, під впливом ферменту пероксидази, переноситься на більш важкоокисні субстрати окислюючи їх. О О О ОКСИГЕНАЗА + S S + оксигеназа.

О 2.2 Теорія Паладіна–Віланда (окислення речовин шляхом їх дегідрування) Передумовою виникнення було відкриття в рослинах особливих пігментів, що здатні окислювати субстрати без кисню.

Суть: 1. Окислення субстратів проходить завдяки їх дегідруванню ( відщеп-ленню від молекул субстрату атомів водню), що здійснюється за допомогою де-гідрогеназних ферментних систем: H H S + D S + D H H Red. Ox Ox Red Кисень безпосередньо з субстратом не взаємодіє, а окислюючи відновлену форму дегідрогеназ запобігає зупинці процесів біологічного окислення: H H D + O D + O + Е H H Red Ox Ox Red Подальший розвиток науки довів справедливість обох теорій які і лягли в основу сучасних уявлень про механізм біологічного окислення. 2.3 Сучасна теорія біологічного окислення Біологічне окислення – сукупність хімічних реакцій у яких проходить перенос електронів і протонів від окислювальної речовини ( донора ) до речовини що відновлюється (акцептора). Процес відбувається з виділенням енергії. Перенос електронів і протонів водню між речовинами (компонентами дихального ланцюга мітохондрій) відбувається згідно їх величин спорідненості до електрону (сила притягання електрона до ядра). Кількісною мірою останньої є величина окисно-відновного потенціалу Е.о.: – від‘ємна величина Е.о. характеризує низьку спорідненість до електрона, речовина добре віддає електрони і протони, тобто є їх донором; – позитивна величина Е.о. характеризує високу спорідненість до електрона, речовина краще приєднує електрони і протони ніж віддає їх, тобто є акцептором протонів і електронів. Перенос електронів і протонів відбувається за допомогою різноманітних ферментних систем.

Дегідрогенази – складні білки які каталізують відщеплення атомів водню та електронів від окислювальних субстратів. Складаються з білкової частини – апоферменту, та небілкової – коферменту чи простетичної групи.

В організмі налічується біля 150 видів дегідрогеназних ферментних систем. В процесах окислення найчастіше беруть участь три типи систем які відрізняються будовою небілкової частини. 1). Якщо коферментом дегідрогеназної системи є вітамін РР (амід нікотинової кислоти), то говорять про НАД– та НАДФ-залежні дегідрогенази.

НАД і НАДФ–залежні дегідрогенази: легко окислюють вуглеводневі, жирові та білкові субстрати; високорухливі носії протонів водню між різними дегідрогеназними системами; Е.о. = –0.3 В. Нікотинамідаденіндинуклеотид Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат CONH2 CONH2 N N O–CH2 O O–CH2 O H H H H H OH OH H H OH OH H O=P–OH O=P–OH NH2 NH2 O N N O N N O=P–OH O=P–OH N N N N O–CH2 O–CH2 O O H H H H H OH HO H H O HO H HO–P=O OH Активною частиною їх є піридинове кільце нікотинаміду: H H H H S + H CONH2 H CONH2 H H H H H + H+ + S N+ N 2) Якщо простетичною групою є вітамін В2 (рибофлавін) то говорять про флавінзалежні дегідрогенази ФМН та ФАД. ФАД–залежні дегідрогенази, які переважно окислюють жирові субстрати та НАД-залежні дегідрогенази маючи окисно-відновний потенціал Е.о. = - 0.1 В. Активною частиною їх молекули є ізоаллоксазинове кільце рибофлавіну: O O H CH3 N NH CH3 NH NH S + + S H CH3 O CH3 O N+ N N NH Флавінмононуклеотид Флавінаденіндинуклеотид O O CH3 N NH CH3 N NH CH3 O CH3 O NH2 N+ N N N N CH2 CH2 CH–OH CH–OH N CH–OH CH–OH N CH–OH OH CH–OH OH OH CH2–O–P–OH CH2-O-P-O-P-O-CH2 O O O O H H H OH OH H Якщо коферментом є похідне вітаміну К, то відповідні дегідрогенази називають убіхінонзалежними чи коферментом Q. O CH3O CH3 CH3 CH3 CH3O (CH2–CH=C–CH2)9–CH2–CH=C–CH3 O Активною частиною молекули кофермента Q є убіхінон: O OH H CH3O CH3 CH3O CH3 S + + S H CH3O R CH3O R O OH Убіхінонзалежні дегідрогенази володіючи Е.о. = – 0.05 В окислюють тільки НАД- і ФАД-залежні дегідрогенази.

Являючись надзвичайно високорухливими, є вузловими пунктами збору протонів водню окислених субстратів. Особливим типом переносчиків є цитохроми.

На відміну від дегідроге-наз, які безпосередньо окислюють субстрати забираючи від них протони водню та електрони, цитохроми лише переносять електрони окислених субстратів на кінцевий акцептор.

Цитохроми – складні білки, що складаються із залізовмісної простетичної групи та білка носія. Перенос електронів відбувається за рахунок зміни окисно-відновних потенціалів іону заліза: Fe3+ + e Fe2+ Fe2+ – е Fe3+ По будові білка носія та значенням окисно–відновних потенціалів цитохроми поділяють на слідуючі типи : Цит В < цит C < цит С < цит А1 < цит А3 +0.7мВ + 212мВ + 210мВ + 210мВ + 385мВ. Отже: 1. Окислення субстратів організму проходить шляхом їх дегідрування за допомогою дегідрогеназних ферментних систем; 2. Перенос протонів водню та електронів окислених субстратів відбу-вається за допомогою дегідрогеназних ферментних систем згідно вели-чин їх окисно-відновних потенціалів (від речовини з нижчим його значенням до речовини з більш високим значенням); 3. НАД, ФАД, УХ – залежні дегідрогенази та цитохроми знаходяться в мітохондріальній мембрані, являючи собою єдину систему біологічного окислення, так званий «дихальний ланцюг»; 4. Дегідрогеназна система ферментів забезпечує окислення енергетичних субстратів і транспорт протонів та електронів а цитохромна, транспорту-ючи електрони, активує кінцевий акцептор. 3. Механізм переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу 3.1.

Аеробне та анаеробне окислення

Аеробне та анаеробне окислення В залежності від кінцевого акцептору протонів водню та електронів, що пройшли крізь дихальний ланцюг, реакції біологічного окислення поділяють на аеробні та анаеробні. Аеробними – називають реакції в яких кінцевим акцептором протонів водню та електронів, що пройшли по дихальному ланцюгу, є кисень.

H 2Н+ S НАД+ ФАДНН УХ+ в++ с+++ а++ О H цит цит цит в+++ с++ а+++ О2– S НАДНН ФАД+ УХНН H2O Кінцевим продуктом аеробних реакцій біологічного окислення є вода і вугле-кислий газ. 3.2.

Окислювальне фосфорилювання

Спряжене окислення – основний тип окисно-відновних процесів організму. Для утворення макроергічного зв‘язку молекули АТФ необхідна різниця по... Різниця окисно-відновних потенціалів – 0.29 В. Синтезується одна молекула АТФ. Різниця окисно-відновних потенціалів –0.29 В.