Энергетический обмен. Макроэргические соединения

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. Макроэргические соединения

Эндергонические реакции – это химические реакции, требующие притока энергии для их осуществления. В этих реакциях изменение свободной энергии ∆G положительная величина (ΔG > 0).

Экзергонические реакции – это реакции, в которых энергия выделяется,

т.е. они идут с выделением энергии. В таких реакциях изменение свободной энергии ∆G– отрицательная величина (ΔG < 0).

Внутриклеточные химические реакции могут быть представлены в виде:

1. катаболических (экзергонических) реакций;

2.анаболических (эндергонических) реакций.

Макроэргические соединения

Макроэргические соединения – соединения, содержащие макроэргическую связь, при гидролизе которой освобождается энергия больше чем 30 кДж/моль.

Макроэргическими соединениями являются также ацил~СоА и все соединения, содержащие сложную тиоэфирную группу,и производные фосфорной кислоты.(карбоксилфосфатные)

В свою очередь АТФ – источник энергии для важных метаболических путей, в которых идут превращения глюкозы, фруктозы и многих других молекул. Получая фосфатную группу от АТФ, эти молекулы увеличивают уровень своей свободной энергии (G), что обеспечивает течение ряда ферментативных реакций и клеточных процессов.

Вместе с тем, АДФ универсальный акцептор энергии (и фосфатной группы) от клеточных макроэргов, которые обладают более высоким уровнем свободной энергии. Цикл АТФ-АДФ — основной механизм обмена энергии в клетке.

Субстратное фосфорилирование. Одним из источников нуклеозидтрифосфатов, главным образом АТФ, является субстратное фосфорилирование, в процессе которого они могут синтезироваться в реакциях переноса фосфорильной группы от содержащих остаток фосфорной кислоты макроэргических соединений на нуклеозиддифосфаты.

Реакции субстратного фосфорилирования являются важным источником получения АТФ, особенно в анаэробных условиях. Для эукариотов главным источником АТФ является окислительное фофорилирование, использующее энергию электронов, освобождающихся при дегидрировании субстратов, при восстановлении кислорода, через реализацию трансмембранного протонного градиента потенциала.

Дегидрирование субстратов и восстановление кислорода (образование воды) как основной источник энергии для синтеза АТФ

АТФ – чрезвычайно важная молекула клетки. Она непрерывно синтезируется и используется. Энергия для синтеза АТФ поступает от субстратов, отдающих электроны в ходе их дегидрирования. Электроны извлекаются из субстратов в ходе гликолиза и гликогенолиза (в цитозоле), при окислении жирных кислот и в общих путях метаболизма: при преобразовании пирувата в ацетил-КоА и в цикле трикарбоновых кислот (в митохондриальном матриксе). Молекулы НАДН и ФАДН₂ переносят эти электроны в дыхательную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Энергия этих электронов используется для создания трансмембранного протонного градиента потенциала, используемого для синтеза АТФ.

 

ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА

Общие пути катаболизма начинаются с пирувата, который превращается в молекулу ацетил-СоА под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях. Затем молекула ацетил-СоА подвергается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот, где из двууглеродного фрагмента уксусной кислоты извлекаются 8 электронов. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН₂ вовлекаются в процесс окислительного фосфорилирования, где синтезируется АТФ и образуется Н₂О. К общим путям катаболизма относят: окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфорилирование.

Эндогенная вода

Эндогенной называется вода, возникающая в клетках в основном при функционировании дыхательных цепей в митохондриях. Некоторое количество эндогенной воды образуется при микросомальном окислении и при разложении пероксида водорода. У взрослого человека в сутки возникает 400÷450 мл эндогенной воды.

Каталаза присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода:

Н₂О₂ + Н₂О₂ → О₂ + 2 Н₂О

Глутатионпероксидаза также присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода. Содержит селеноцистеин в активном центре. 2 Глутатион-SH + Н₂О₂ → Глутатион-SS + 2Н₂О

 

Глутатионпероксидаза также восстанавливает гидропероксиды липидов.

В конце дыхательной цепи электроны взаимодействуют с кислородом с последующим присоединением к восстановленному кислороду протонов из матрикса с образованием воды: 4е^- + 4Н⁺ + О₂ → 2Н₂О.

Особенность образования воды в этой реакции состоит в том, что в неѐ входят электроны с цитохромооксидазы, имеющей достаточно высокий редокс-потенциал, и в процессе предачи электронов на кислород выделяется не так много энергии. Поэтому роль многочисленных промежуточных переносчиков электронов, локализованных во внутренней митохондриальной мембране, состоит в постепенном выделении энергии при переносе электронов по цепи дыхательных ферментов с использованием ее для создания протонного градиента на внутренней мембране митохондрии. Если бы не было промежуточных переносчиков электронов, то разом выделяющаяся тепловая энергия разрушила бы митохондриальную мембрану.

Образование токсических форм кислорода, их значение для организма, механизм их повреждающего действия на клетки, механизмы их обезвреживания. Прооксиданты и антиоксиданты.

Несмотря на то, что аэробные организмы для своей жизнедеятельности нуждаются в молекулярном кислороде (О₂), при повышении его концентрации выше, чем в атмосферном воздухе, он может проявлять токсические свойства, причем степень токсичности неодинакова для разных видов животных и разных возрастных состояний, зависит от среды обитания и других факторов. Кислород – потенциально опасное вещество. Молекулярный кислород О₂ и кислород в составе молекулы Н₂О – стабильные соединения. Полное восстановление кислорода происходит на заключительной стадии митохондриального окисления. Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточные степени окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода.

Активные формы кислорода вызывают оксидативный стресс. Оксидативным (окислительным) стрессом называют процесс повреждения клетки в результате реакций окисления. С химической точки зрения оксидативный стресс представляет собой значительное увеличение клеточного редокс-потенциала или существенное снижение восстановительной способности клеточных редокс-пар, таких как окисленный/восстановленный глутатион. Эффект оксидативного стресса зависит от силы его выраженности. Клетки могут вернуться в исходное состояние при небольших нарушениях. Однако более выраженный оксидативный стресс вызывает клеточную смерть.

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН. Макроэргические соединения

Эндергонические реакции – это химические реакции, требующие притока энергии для их осуществления. В этих реакциях изменение свободной энергии ∆G положительная величина (ΔG > 0).

Экзергонические реакции – это реакции, в которых энергия выделяется,

т.е. они идут с выделением энергии. В таких реакциях изменение свободной энергии ∆G– отрицательная величина (ΔG < 0).

Внутриклеточные химические реакции могут быть представлены в виде:

1. катаболических (экзергонических) реакций;

2.анаболических (эндергонических) реакций.

Макроэргические соединения

Макроэргические соединения – соединения, содержащие макроэргическую связь, при гидролизе которой освобождается энергия больше чем 30 кДж/моль.

Макроэргическими соединениями являются также ацил~СоА и все соединения, содержащие сложную тиоэфирную группу,и производные фосфорной кислоты.(карбоксилфосфатные)

В свою очередь АТФ – источник энергии для важных метаболических путей, в которых идут превращения глюкозы, фруктозы и многих других молекул. Получая фосфатную группу от АТФ, эти молекулы увеличивают уровень своей свободной энергии (G), что обеспечивает течение ряда ферментативных реакций и клеточных процессов.

Вместе с тем, АДФ универсальный акцептор энергии (и фосфатной группы) от клеточных макроэргов, которые обладают более высоким уровнем свободной энергии. Цикл АТФ-АДФ — основной механизм обмена энергии в клетке.

Субстратное фосфорилирование. Одним из источников нуклеозидтрифосфатов, главным образом АТФ, является субстратное фосфорилирование, в процессе которого они могут синтезироваться в реакциях переноса фосфорильной группы от содержащих остаток фосфорной кислоты макроэргических соединений на нуклеозиддифосфаты.

Реакции субстратного фосфорилирования являются важным источником получения АТФ, особенно в анаэробных условиях. Для эукариотов главным источником АТФ является окислительное фофорилирование, использующее энергию электронов, освобождающихся при дегидрировании субстратов, при восстановлении кислорода, через реализацию трансмембранного протонного градиента потенциала.

Дегидрирование субстратов и восстановление кислорода (образование воды) как основной источник энергии для синтеза АТФ

АТФ – чрезвычайно важная молекула клетки. Она непрерывно синтезируется и используется. Энергия для синтеза АТФ поступает от субстратов, отдающих электроны в ходе их дегидрирования. Электроны извлекаются из субстратов в ходе гликолиза и гликогенолиза (в цитозоле), при окислении жирных кислот и в общих путях метаболизма: при преобразовании пирувата в ацетил-КоА и в цикле трикарбоновых кислот (в митохондриальном матриксе). Молекулы НАДН и ФАДН₂ переносят эти электроны в дыхательную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Энергия этих электронов используется для создания трансмембранного протонного градиента потенциала, используемого для синтеза АТФ.

 

ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА

Общие пути катаболизма начинаются с пирувата, который превращается в молекулу ацетил-СоА под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях. Затем молекула ацетил-СоА подвергается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот, где из двууглеродного фрагмента уксусной кислоты извлекаются 8 электронов. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН₂ вовлекаются в процесс окислительного фосфорилирования, где синтезируется АТФ и образуется Н₂О. К общим путям катаболизма относят: окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфорилирование.