Обмен веществ и энергии. Общая характеристика катаболизма, анаболизма, промежуточного обмена веществ.

Обмен веществ представляет собой сочетание многих разнообразных и противоположных процессов. Одни из них представляют процессы физиоло-гические (питание, выделение и др.), другие – физические (сорбция, диффузия др.), третьи – химические (распад и синтез веществ и др.).

Катаболизм – это прежде всего ферментативное расщепление крупных молекул (белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов), осуществляемое преимущественно за счет реакций гидролиза и окисления. В ходе катаболизма образуются более мелкие молекулы, что сопровождается выделением свобод-ной энергии и запасанием ее в форме,главным образом, энергии фосфатных связей АТФ.

Анаболизм – это ферментативный синтез сравнительно крупных молекул и надмолекулярных комплексов из простых предшественников, что связано с потреблением энергии, поставляемой, главным образом, в форме энергии фосфатных связей АТФ.Катаболизм и анаболизм протекают в клетках одновременно и тесно пе-реплетаются друг с другом. Например, в ходе распада глюкозы первой реакци-ей является синтез более сложного вещества – глюкозо-6-фосфата и т.п.Сочетание катаболических и анаболических реакций приводит к постоян-ному обновлению состава тела. При этом надо иметь в виду, что хотя в про-цессе обмена веществ состав тела все время обновляется,общий его состав у взрослых организмов в течение кратких отрезков времени почти не меняется.

Под промежуточным или межуточным обменом веществ понимают пре-вращения веществ с момента поступления их в организм и кончая образовани-ем конечных продуктов обмена. Промежуточный обмен выполняет 4 функции:

Ø извлечение энергии из окружающей среды, поступающей либо в форме энергии химических связей органических веществ,либо в форме квантов солнечного света;

 

Ø превращение экзогенных веществ (т.е. веществ пищи) в простые низкомолекулярные вещества;

 

Ø образование из этих простых веществ, являющихся как бы строи-тельными блоками, высокомолекулярных веществ: белков, нуклеи-новых кислот, полисахаридов, липидов и др. клеточных компонен-тов, свойственных организму;

 

синтез и распад тех биомолекул, которые необходимы для выпол-нения различных специфических функций клетки

Общая характеристика

Под биологическим окислением понимают совокупность множества разнообразных окислительно-восстановительных реакций, совершающихся в биологических объектах под влиянием ферментов.

 

Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме.

При решении вопроса, какое соединение из участников реакции является окислителем, а какое восстановителем, необходимо знать способность восстановителя отдавать электроны окислителю, что выражается величиной окислительно-восстановительного потенциала (стандартного восстановительного потенциала, редокс-потенциала). Редокс-потенциал определяется путём измере-ния электродвижущей силы (э.д.с.) в вольтах, возникающий в полуэлементе, в котором восстановитель и окислитель, присутствующие в 1,0 М концентраци-ях при 25ºC и при рН 7,0, находятся в равновесии с электродом, способным обратимо принимать электроны от восстановителя.

В качестве стандарта принят редокс-потенциал реакции Н  2Н+ + 2 е¯, который при давлении газообразного водорода в 1 атмосферу (760 мм рт. ст.), при 1,0 М концентрации ионов Н+ (что соответствует рН=0) и при 25ºC условно принят за нуль. В условиях физиологического значения рН, т.е. при рН=7,0 редокс-потенциал водородного электрода (системы Н2 – 2Н+) равен -0,42 воль-та.

Системы с более отрицательным редокс-потенциалом,чем в системе

Н2  2Н+ + 2 е- обладают большей, чем водород, способностью отдавать элек-троны, а у систем с более положительным редокс-потенциалом эта способ-ность менее выражена, чем у водорода. Наибольший положительный редокс-потенциал имеется в системе НO – 1/2O. Именно этим обстоятельством следует объяснить, что Н2О обладает очень слабой способностью отдавать элек-троны, тогда как молекулярный кислород характеризуется очень высоким сродством к электронам, превышающим такую у важнейших биологических акцепторов-переносчиков электронов НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, цитохромы, участвующих в окислительно-восстановительных процессах в организме.

 

Величина редокс -потенциалов биологических окислительно-восстановительных систем обусловливает направление переноса электронов от системы

Н – 2Н+ к системе Н О – 1/2О. Знание редокс-потенциалов различных биологических окислительно-восстановительных систем позволяет предсказывать направление потока электронов от одной системы к другой системе при ферментативном превращении веществ в процессе биологического окисления.

Окисление, сопряженное с производством в организме энергии, почти во всех без исключения клетках проходит три стадии.

На первой стадии имеет место окислительное образование ацетил-коэнзима А из первичных субстратов биологического окисления– глюкозы, жирных кислот, аминокислот и др.

На второй стадии происходит расщепление ацетил-коэнзима А в лимоннокислом цикле. При этом в результате дегидрирования субстратов высвобождаются атомы водорода, восстанавливающие пиридинзависимые и флавинза-висимые дегидрогеназы с образованием НАД.Н2, НАДФ.Н2, ФАД.Н2.

Кроме того, анаэробно путем декарбоксилирования субстратов образуется

СО2.

Третья стадия включает окисление НАД.Н2, НАДФ.Н2 и ФАД.Н2, т.е. пе-ренос протонов и электронов на кислород с образованием воды и энергии в дыхательной цепи, состоящей из системы окислительно-восстановительных ферментов.

Следовательно, процесс биологического окисления можно представить как процесс дегидрирования с последующей передачей протонов и электронов через ряд промежуточных передатчиков на кислород с образованием воды.

На первой стадии биологического окисления образование - ацетил коэнзима А происходит различными путями в зависимости от вида первичных субстратов. Например, глюкоза путем гликолиза распадается до пировино-градной кислоты, а последняя – до ацетил-коэнзима А путем последующего окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты; жирные ки-слоты превращаются в ацетил-коэнзим А путем β-окисления и т..дЭти специфичные пути соответствуют II стадии катаболизма и рассматриваются в соответствующих разделах обмена веществ(обмена углеводов, обмена жиров и др.).

Вторая стадия окисления, связанная с превращением ацетил-коэнзима-А в

лимоннокислом цикле, в результате которого образуется НАД.Н, НАДФ.Н и ФАД.Н2, и третья стадия окисления, включающая окисление образовавшихся в лимоннокислом цикле восстановленных пиридинпротеидов и флавопротеидов (т.е. НАД.Н2, НАДФ.Н2, ФАД.Н2) в дыхательной цепи являются унифициро-ванным общим участком биологического окисления,независимо от того, ка-ким путем и от какого первичного субстрата образовался ацетил-коэнзим.-А Эти стадии биологического окисления соответствуютIII стадии катаболизма. Это так называемые центральные пути метаболизма (амфиболические пути).

30) Механизм окислительного декарбоксилирования пировиноградной кисло-ты сложен и состоит из нескольких фаз (пяти фаз или этапов). Первая фаза указанного комплексного процесса состоит в декарбоксилировании пировино-градной кислоты при участии тиаминпирофосфата в качестве кофермента пи-руватдекарбоксилазы: формулы

Образовавшийся оксиэтилтиаминпирофосфат далее распадается с отщеп-лением и одновременным окислением оксиэтильного радикала при участии фермента липоилредуктазы – ацетилтрансферазы (иное название – дигидроли-поилтрансацетилаза), несущего в качестве простетической группы остаток ли-поевой кислоты. формулы

Возникший при распаде оксиэтилтиаминпирофосфата ацетильный ради-кал присоединяется сначала к липоевой кислоте с образованием ацетилгидро-липоевой кислоты (вторая фаза), а затем передается на коэнзим-А с образова-нием ацетилкоэнзима-А и дигидролипоевой кислоты(третья фаза). Далее при посредстве третьего компонента мультиэнзимного комплекса дигидролипоил-дегидрогоназы, содержащего в качестве простетической группы ФАД, дигид-ролипоевая кислота переходит в липоевую кислоту, а ФАД восстанавливается (четвертая фаза). формулы

31) Лимоннокислый цикл протекает в митохондриях клеток.Вступая в ли-моннокислый цикл, образовавшийся в результате окислительного декарбокси-лирования пировиноградной кислоты или иным путем(β-окисление жирных кислот) ацетилкоэнзим-А конденсируется со щавелево-уксусной кислотой, ко-торая всегда есть в клеточном содержимом. Образуется лимонная кислота и высвобождается коэнзим-А. формулы

Дыхательная цепь ферментов

Транспорт протонов и электронов от восстановленных субстратов к -ки слороду в процессе тканевого дыхания осуществляется с помощью ряда окис-лительно-восстановительных ферментных систем (редокс-систем). Различают три главных вида оксидоредуктаз – окислительно-восстановительных фермен-тов:

 

1) пиридинзависимые дегидрогеназы (пиридинферменты, пиридин-протеиды или ПП), коферментом которых служат НАД или НАДФ;

2) флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды или ФП), у которых простетической группой служат ФМН или ФАД;

3) цитохромы, содержащие в качестве простетической группы гем.

Функция переносчиков водорода выполняется динуклеотидами(НАД) благодаря тому, что они могут существовать в окисленной и восстановленной формах.

Все пиридинпротеиды являются анаэробными дегидрогеназами,т.е. они передают атомы водорода на ближайший в окислительной цепи другой фер-мент, но не на кислород.

Цитохромную систему образуют несколько оксидоредуктаз,имеющих в качестве простетических групп железопорфирины.

Соединяясь с белками, железопорфирины разных типов дают начало группе хромопротеидов, объединяемых под общим названием цитохромы. Каждый индивидуальный цитохром обозначается строчной латинской буквой а, в, с, и т.д. с соответствующим порядковым индексом (например: а, а3; с, с1, и т.д.), а класс цитохрома – прописной латинской буквой А, В, С и т.д. Принад-лежность цитохрома к определенному классу определяется строением просте-тической группы (железопорфирина), а окончательная индивидуальность– строением апофермента (белка).

 

В митохондриях клеток высших животных и растений идентифицировано пять различных цитохромов: в, с1, с, а, а3. В эндоплазматической сети обнару-

жены еще цитохромы – в5 и Р450.

Митохондриальная дыхательная цепь включает следующие компоненты:

1) флавопротеид (ФП), содержащий в качестве простетической группы (кофермента) ФМН;

2) кофермент Q (или убихинон);

3) железосерные белки, содержащие негеминовое железо;

4) цитохромы в, с1, с, а, а3.