Общие представления об обмене: катаболизм и анаболизм
ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ.
1. Общие представления об обмене: катаболизм и анаболизм.
Общие представления о биоэнергетике.
Представления о термодинамике биосистем.
Биологическое окисление.
Современные представления о тканевом дыхании.
- поступление веществ в организм, - метаболизм, - выделение конечных продуктов из организма.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.
Реакции катаболизма, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии (-ΔG), являются донорами не только структурных предшественников, но и… Если ΔG – отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и… Если ΔG – положительно, реакции протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические) –…Катаболических (экзергонических) реакций;
Анаболических (эндергонических) реакций.
Соотношение между величинами К'eq и ΔG0' и направлением химических реакций: K'eq ΔG0' Направление реакции при…Окислительно-восстановительные реакции. Окислительно-восстановительный потенциал.
(1) Сu + О → Сu2+О2-. Суммарную реакцию (1) можно условно разделить на 2 полуреакции (2), (3): (2) Сu - 2е → Сu2+. (3) О + 2е → О2-.Биологическое окисление.
а) энергия, б) на получение новых молекул для обмена веществ. Эта двойственность называется амфиболичность.Н-S-H -2H ------ S (где S - субстрат)
S + O ------SO SO2 (где S - субстрат) Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением… Углеводы, жирные кислоты и большинство аминокислот окисляются в конечном счёте через цикл лимонной кислоты до СО2 и…Окислительное декарбоксилирование пирувата
Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением.… СН3-СО-СООН + NAD+ + HSKoA → CH3-CO ∼SKoA + NADH + H+ + CO2Строение пируватдегидрогеназного комплекса
- пируватдекарбоксилаза (Е1), - дигидролипоилтрансацетилаза (Е2), - дигидролипоилдегидрогеназа (Е3),Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) млекопитающих
Пируватдекарбоксилаза содержит прочно связанный с белковой частью ТДФ, а… Липоиллизиновые группы центрального фермента (Е2) функционируют как поворотные "кронштейны", переносящие…Окислительное декарбоксилирование пирувата
Стадия I. Реакция декарбоксилирования пирувата. Значение декарбоксилирования пирувата в отношении извлечения энергии из… Пируват + Е1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2.Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса
Активность ПДК регулируется различными способами: - доступностью субстратов, - ингибированием продуктами реакции,Окислительное фосфорилирование
Впервые механизм окислительного фосфорилирования был предложен Питером Митчеллом (хемиосмотическая теория): перенос электронов, происходящий на… Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов,…Принцип работы дыхательной цепи
1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи. 2. Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию. 3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное пространство.Общий принцип окислительного фосфорилирования
Восстановленные формы НАД и ФАД окисляютсяферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т.е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.
Дыхательная цепь
Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.
Блок-схема дыхательной цепи
Переносчики электронов
Сu+ <-> Сu2+ + e и Fe2+ <-> Fe3+ + e 2. Железо-серные белки (FeS) – негемовые белки, функционируют совместно с…Строение ферментативных комплексов дыхательной цепи
Комплекс. НАДН-КоQ-редуктаза
Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН-дегидрогеназа, содержит 1ФМН, 6 железосерных белков.
1. NADH + H+ + FMN ---------2e + 2H+-------- NAD+ + FMNH2
2. FMNH2 ------------2e--------- Fex Sx (Fe2+ <-> Fe3+ + e)
3. Fex Sx ------------2e--------- KoQ
Функция
1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).
2. Переносит 4Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
Комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы
Q ------------2e--------- QH2 (Q ---------e + H+ --------- HQ-радикал)Функция
1. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.
2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.
Комплекс. КоQ-цитохром с-редуктаза
Данный комплекс включает цитохромы b и c1. Кроме цитохромов в нем имеются 2 железо-серных белка.
QH2 ------------2e---------цитохром с (QH2--------2e--------b1----b2---FexSx---c1---2e---c)
Функция
1. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохромс.
2. Переносит 4Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
Комплекс. Цитохром с- оксидаза
1. c----------2e---------aa3 (Сu+ <-> Сu2+ + e и Fe2+ <-> Fe3+ + e) 2. aa3----------2e---------O22- --------2е+2H+-------2OH-… (ферменты: супероксиддисмутаза,Каталаза)
Дисмутация – процесс образования 2-х продуктов из 1-го субстрата.
Функция
1. Принимает электроны от цитохромас и передает их на кислородс образованием воды.
2. Переносит 2Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.