Гомбоева А.Ц., Никитина Л.П., Хышиктуев Б.С. Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма. Учебное пособие

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

БИОХИМИЯ

 

ЭНЕРГЕТИКА ОБЩИХ ПУТЕЙ КАТАБОЛИЗМА

 

Учебное пособие

 

 

Чита - 2009

 

УДК 612.015.3:577.158(075.85)

 

Гомбоева А.Ц., Никитина Л.П., Хышиктуев Б.С. Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма. Учебное пособие. – Чита: ИИЦ ЧГМА, 2009. –56 с.

 

В учебном пособии рассмотрены биоэнергетические процессы, протекающие в различных компартментах клетки. Особое внимание уделено механизмам генерации и трансформации энергии в митохондриях. Приведены примеры некоторых заболеваний, в генезе которых важное место занимает нарушение нормального функционирования дыхательной цепи, а также пути их коррекции. Рассмотрены факторы про- и антиоксидантных систем организма. Пособие «Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма» (издание третье, переработанное и дополненное) написано на основании многолетнего опыта преподавания биохимии с учетом современных сведений о молекулярных механизмах обмена веществ.

Предназначено для студентов медицинских вузов.

 

Рецензенты:

Зав. кафедрой общей химии ГОУ ВПО ЧГМА, к.б.н., доцент Н.Н. Коцюржинская

Зав. кафедрой медицинской физики и информатики ГОУ ВПО ЧГМА, доцент Ю.Н. Смоляков

 

ЧГМА, кафедра биологической химии с курсами

биоорганической химии и клинической биохимии

Чита, 2009

Содержание
Список сокращений
Введение в обмен веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава I. Энергетический обмен
1.1. Свободная энергия и законы термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1. Макроэргические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2. Пути синтеза АТФ и его роль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3. Окислительно-восстановительное равновесие, окислительно-восстановительный потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Биологическое окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. Характеристика биологического окисления . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2. Сопряжение биологического окисления и окислительного фосфорилирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3. Регуляция скорости дыхания митохондрий . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4. Разобщение дыхания и фосфорилирования. . . . . .. . . . . . . . . . . .
1.2.5. Патология биоэнергетических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.6. Механизмы защиты от токсического действия кислорода. . . . .
1.3. Микросомальное окисление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные тесты к главе I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава II. Общие пути катаболизма
2.1. Окислительное декарбоксилирование ПВК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Сущность преобразований пирувата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Регуляция процесса окисления пирувата . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3. Патология окислительного декарбоксилирования ПВК. . . . . .
2.2. Цикл трикарбоновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Последовательность реакций цикла лимонной кислоты . . . . . .
2.2.2. Энергетическая ценность процесса .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3.Участие витаминов в ЦТК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4. Биологические функции цикла Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5. Регуляция превращений цитрата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные тесты к главе II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ответы на тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

Список сокращений

АДФ – аденозиндифосфат

АМФ ­– аденозинмонофосфат

АТФ – аденозинтрифосфат

ГДФ – гуанозиндифосфат

ГТФ – гуанозинтрифосфат

ДГ – дегидрогеназа

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ДОФА – диоксифенилаланин

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

КоА – коэнзим ацилирования (активная форма витамина В₃)

КоQ – коэнзим Q (убихинон) окисленный

КоQН₂ – коэнзим Q (убихинон) восстановленный

ЛК – липоевая кислота

МФП⁺ –1-метил-4-фенилпиридиния катион

МФТП – 1-метил-4-фенил-2,3,5,6-тетрагидропиридин

НАД⁺ – никотинамидадениндинуклеотид (окисленный)

НАДН – никотинамидадениндинуклеотид восстановленный

ОА – оксалоацетат

ПВК – пировиноградная кислота

ПОЛ – перекисное окисление липидов

РНК – рибонуклеиновая кислота

ТГФК – тетрагидрофолиевая кислота

ТДФ – тиаминдифосфат

Тир – тирозин

Три – триптофан

ТТФ ­– тимидинтрифосфат

УДФ – уридиндифосфат

УТФ – уридинтрифосфат

Фен – фенилаланин

Ф_н – фосфат неорганический

ФАД – флавинадениндинуклеотид (окисленный)

ФАДН₂ – флавинадениндинуклеотид (восстановленный)

ФМН – флавинмононуклеотид (окисленный)

ФМНН₂ – флавинмононуклеотид (восстановленный)

ФП – фосфопиридоксаль

ЦДФ – цитидиндифосфат

ЦТК – цикл трикарбоновых кислот

ЦТФ – тимидинтрифосфат

Цит – цитохром

ЭТЦ – электроно-транспортная цепь

Сu²⁺ – катион меди

GSH – глутатион (восстановленный)

Н⁺ – протон(ы)

HSKoA – кофермент ацилирования (свободный)

К⁺ – калия катион

Na⁺ – натрия катион

S – субстрат

Т^• – радикал токоферола

Т_н – токоферол (молекулярный)

 

Введение в обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) - совокупность многочисленных химических реакций, протекающих в живых организмах, благодаря которым осуществляется их рост, жизнедеятельность, воспроизводство, постоянный контакт и обмен с окружающей средой.

Главная задача метаболизма - обеспечить организм энергией за счет окисления пищевых веществ. Кроме того, их молекулы используются в качестве исходного «сырья» для создания жизненно необходимых компонентов клетки. Ненужные организму структуры ­– «отходы» преобразуются в основном в хорошо растворимые в воде соединения, которые могут быть легко выведены (с мочой, калом, потом, слюной, выдыхаемым воздухом).

Метаболизм любых отдельно взятых веществ (углеводов, липидов, нуклеотидов и т.д.) складывается из двух фаз: анаболической и катаболической.

Анаболизм (anabole - подъем) - синтез соединений из более простых молекул. Реже эта фаза ограничивается для веществ лишь поступлением его в клетку из внешней среды. Причем этапы синтеза протекают с затратой энергии.

Катаболизм (katabole - сбрасывание вниз, спуск) представляет комплекс химических реакций распада соединений. Для некоторых из них эта фаза метаболизма включает только их выведение из организма (билирубин, холестерин). Интересно, что многие стадии катаболизма протекают с выделением свободной энергии и запасанием ее в виде макроэргических веществ и использованием позднее в различных процессах жизнедеятельности.

Благодаря локализации ферментов разных фаз метаболизма в специфических компартментах (отсеках, органеллах) клеток эти противоположно направленные процессы протекают одновременно, не мешая, а даже помогая друг другу: продукты катаболизма часто служат субстратами для реакций синтеза, а энергия, высвобождающаяся при распаде, необходима для многих стадий анаболизма; восстановительные эквиваленты, являющиеся продуктами первой фазы, также используются в различных реакциях синтеза (табл. 1).

Процессы, с помощью которых обеспечивается взаимосвязь между фазами метаболизма, называются амфиболическими.

Таблица 1

Основные особенности разных фаз метаболизма

  Нормальная жизнедеятельность организма обеспечивается динамическим равновесием… В процессе катаболических превращений выделяют три этапа (рис. 1).

ГЛАВА I. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Свободная энергия и законы термодинамики

Энергетический обмен живого организма подчиняется законам термодинамики. Первый закон сохранения энергии утверждает, что энергию нельзя ни создать, ни… Второй закон термодинамики позволяет предсказать направление биохимических реакций. Согласно ему все процессы идут в…

Макроэргические соединения

Таблица 2

Стандартная свободная энергия гидролиза органических фосфатов

  Самой многочисленной группой макроэргов являются фосфаты, хотя имеются… Органические фосфаты:

Пути синтеза АТФ и его роль

АТФ - это мононуклеотид, содержащий аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. В реакциях, протекающих внутри клетки, это соединение участвует… Рис. 4. Магниевая соль АТФ

Стандартные потенциалы некоторых окислительно-

Восстановительных систем

 

Биологическое окисление

Биологическое окисление - транспорт протонов и электронов от окисляемого субстрата через ряд промежуточных переносчиков на кислород с последующим…

Характеристика биологического окисления

 

Строение комплексов полиферментного ансамбля дыхательной

Цепи митохондрий

  Структура НАД+, установленная Г. Эйлер-Хельпиным с соавторами, представляет…

Сопряжение биологического окисления и

Окислительного фосфорилирования

Рис. 12.Механизм синтеза АТФ  

Регуляция скорости дыхания митохондрий

Обычно скорость дыхания большей части клеток, находящихся в покоящемся состоянии, определяется доступностью АДФ. Энергия, необходимая для совершения… Механизм дыхательного контроля отличается высокой чувствительностью и… Митохондрии - «энергетические станции клетки» поставляют образовавшийся АТФ «потребителям», находящимся в других…

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Разобщители способны образовать в мембранах митохондрий каналы, проницаемые для некоторых ионов (Н+, К+, Na+) (рис. 13), их называют протоно- или… Рис. 13. Принцип действия ионофоров–каналообразователей

Краткая характеристика некоторых ионо(протоно)форов

    Амфотерицин - другой каналообразующий ионофор - особенно эффективен в коррекции заболеваний, вызванных патогенными…

Патология биоэнергетических процессов

Часто встречающиеся причины первого варианта нарушений: I. Дефицит окисляемого субстрата: а) общее или частичное голодание, приводящее к возникновению гипогликемии, недостатку высших жирных кислот. Возможно…

IV. Наличие разобщителей биологического окисления и фосфорилирования.

Классическим примером действия разобщителей может служить развитие гипертермии и общей слабости в ходе инфекционных заболеваний, так как практически… В основе второго варианта повреждений биоэнергетических процессов лежат… а) продукции токсичных пероксидов;

Механизмы защиты от токсического действия кислорода

Факторы, предотвращающие развитие свободнорадикальных процессов, называют антиоксидантами (АО).

А) Антиоксиданты ферментативной природы

Наиболее активным является супероксиддисмутаза (СОД), содержащая в каталитическом центре ионы меди (Сu2+) и цинка (Zn2+). Этот фермент обнаружен… Пероксид водорода может служить предшественником гидроксильных радикалов,… Каталаза катализирует его разложение с образованием воды и молекулярного кислорода:

Роль катионов металлов с переменной валентностью в свободно-радикальных реакциях

ность резко снижена, что служит важным механизмом антиоксидантной защиты. В плазме крови транспорт ионов металлов с переменной валентностью…

В) Антиоксиданты внеклеточных жидкостей

Подобным образом действует плазменный белок трансферрин, насыщенный железом, что сводит к нулю уровень ионизированной формы металла в плазме.… Медь-содержащий белок плазмы крови церулоплазмин (ЦП) также участвует в…

Микросомальное окисление

Энзимы первого вида называются оксигеназами смешанного типа, т.к. катализируют реакции гидроксилирования ароматических соединений, сопровождающиеся… Примером подобных реакций является гидроксилирование триптофана, фенилаланина. Биологическое значение каждого процесса…

Контрольные тесты к главе I

1. I и II 2. III и IV, I и III 3. II и III, I и III

ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА

В пище человека практически не содержатся готовые первичные доноры водорода, служащие субстратами для биологического окисления. Они образуются в ходе катаболизма; причем именно в его последней стадии - неспецифическом распаде. Следовательно, метаболиты окислительного декарбоксилирования пирувата и цитратного цикла выполняют роль необходимых субстратов.

Окислительное декарбоксилирование ПВК

Сущность преобразований пирувата

 

Таблица 7.

Ферменты пируватдегидрогеназного комплекса

Простетические группы представлены активными формами витаминов В1 (тиамина) в Е1, В2 (рибофлавина) в Е3 и витаминоподобным соединением (липоамидом)… Строение пируватдегидрогеназного комплекса довольно сложно: включает до… Процесс протекает в 4 стадии:

Регуляция процесса окисления пирувата

1) Ингибирование продуктами: ацетил-КоА подавляет активность трансацетилазы, а НАДН + Н+ - служит ингибитором дигидролипоилдегидрогеназы. И… 2) Регуляция нуклеотидами, являющимися аллостерическими эффекторами. Для Е1, в… 3) Регуляция путем ковалентной модификации через реакцию фосфори-лирования.

Патология декарбоксилирования пирувата

а) дефицита в диете витаминов (В2,РР) – его участников; б) у алкоголиков может развиваться недостаток витамина тиамина. В этих… Описана и наследственная недостаточность пируватдегидрогеназы, причем зарегистрированы мутации всех ферментов…

Цикл трикарбоновых кислот

Для протекания этой стадии необходимы НСО3–, АТФ, ионы Мg2+. Далее…

Последовательность реакций ЦТК

карбонильным углеродом ОА. За этой реакцией следует гидролиз тиоэфирной связи цитрил-КоА, сопровождающийся потерей большого количества свободной…

Энергетическая ценность процесса

В итоге с помощью трех восстановительных эквивалентов НАДН + Н+ и комплекса I ЭТЦ генерируются (3•3) 9 макроэргических связей посредством синтеза… Таблица 8

Образование макроэргических соединений в ЦТК

За счет ФАДН2 осуществляется продукция лишь двух макроэргических связей, поскольку в этом случае ЭТЦ укорочена и восстановительный эквивалент…

Участие витаминов в ЦТК

1. Рибофлавин (В2) входит в состав флавинадениндинуклеотида (ФАД), который является коферментом α–кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и… 2. Никотинамид (РР) включен в структуру никотинамидаденин-динуклеотида (НАД+),… 3. Тиамин (В1) в виде тиаминдифосфата выполняет функцию кофермента в α–кетоглутаратдегидрогеназном комплексе;

Биологические функции цикла Кребса

2. ЦТК - один из главных источников восстановительных эквивалентов, запускающих ЭТЦ и окислительное фосфорилирование, тем самым обеспечиваются… 3. Он является основным амфиболическим циклом: отдельные катаболические пути… О жизненно важной роли цитратного цикла свидетельствует и тот факт, что у человека не описаны генетически…

Регуляция превращений цитрата

 

Контрольные тесты к главе II

1. ТДФ, НАД+, HSKoA, ФП, ФАД 2. ТДФ, ФАД, HSKoA, НАД+, ЛК 3. ФП, ТГФК, ТДФ, НАД+, ФАД

Список рекомендуемой литературы

1. Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология: Учеб. пособие / Н.А. Белясова. – Мн. : Книжный дом, 2004. – С. 186 – 211.

2. Биохимия : Учебник / под ред. Е.С. Северина. – М. : ГЭОТАР-МЕД, 2003. – С. 264-297.

3. Марри Р. Биохимия человека: в 2-х т. пер. с англ. / Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. – М. : Мир, 2004. – Т. 1. – С. 111-139, 165-180.

4. Машковский М.Д. Лекарственные средства: Пособие для врачей / М.Д. Машковский. – М. : РИА Новая волна, 2007. – 1206 с.

5. Николаев А.Я. Биологическая химия / А.Я. Николаев.– М. : Мед. инф. агенство, 2004. – С. 66-77, 186-191, 225-247.

6. Никитина Л.П. Патохимия наследственный болезней : Учебное пособие / Л.П. Никитина, А.Ц. Гомбоева, Н.В. Соловьева. – Чита, 2008. – с. 18–23.

7. Щербак И.Г. Биологическая химия : Учебник / И.Г. Щербак. – СПб.: Изд-во СПбГМУ, 2005. – С. 139-196.

8. Элиот В. Биохимия и молекулярная биология: пер. с англ. / В. Элиот, Д. Элиот– М.: МАИК. Наука / Интерпериодика, 2002. – 446 с.

9. Harvey R.A. Biochemistry / R.A. Harvey, P.C. Champe, D.R. Ferrier – Lippncott Willams & Wilrins, 2007. – Р. 69 – 82.