Oсновні високоенергетичні сполуки. Провідна роль атф у біоенергетиці

У людини і тварин головними макроергічними сполуками є фосфор- та сірковмісні сполуки. Це значною мірою зумовлено особливостями структури атомів фосфору й сірки.

Макроергічні сполуки фосфатних похідних у живих організмах можна розділити на декілька типів.

Ангідриди фосфорної кислоти. З них найважливішою є АТФ:

АТФ є похідною аденілової кислоти, до фосфатного залишку якої приєднані ще дві молекули неорганічного фосфату у вигляді пірофос-фату. У молекулі АТФ наявні два макроергічні зв'язки, а в молекулі АДФ - тільки один. Внаслідок синтезу АТФ шляхом окислювального фосфорилювання (див. нижче) до АДФ додається ще один зв'язок, тобто енергія окислення субстрату трансформується в енергію піро-фосфатних зв'язків у молекулі АТФ.

Енергія, яка вивільняється при реакціях гідролізу різних речовин, як правило, невелика. Якщо вона перевищує 30 кДж/моль, то зв'язок, який гідролізується, називається високоенергетичним.

АТФ є головною поєднувальною ланкою між клітинними реакціями, які відбуваються з виділенням і поглинанням енергії. Вона є термодинамічно нестійкою молекулою й, гідролізуючись, утворює АДФ або АМФ і залишки фосфатів. При цьому виділяється вільна енергія. Саме ця нестійкість молекули АТФ дозволяє їй виконувати функцію переносника хімічної енергії. Для утворення АТФ необхідні АДФ, неорганічний фосфат, пев-кількість енергії АБ і наявність ферменту АТФ-синтетази:

У ході цієї реакції енергія запасається в АТФ і в подальшому використовується на різні види роботи. Реакція оборотна. У зворотному напрямку фермент працює як АТФаза, тобто розщеплює АТФ. В сутності, вільний неорганічний фосфат під час розкладу АТФ утворюється рідко. Звичайно він не залишається у вільному стані, а приєднується до іншої органічної сполуки, передаючи енергію. Цей тип реакції міжмолекулярного переносу називається трансфосфорилюванням.

Отже, у термодинаміці клітини АТФ можна розглядати як багату на енергію або «заряджену» форму носія енергії, а АДФ - як бідну на енергію або «розряджену» форму.

АТФ забезпечує енергією практично всі процеси життєдіяльності в організмі:

Таким чином, енергія поживних речовин у клітині трансформується спочатку в хімічну енергію АТФ, а потім АТФ служить безпосереднім джерелом енергії для здійснення різного роду роботи в біохімічних і фізіологічних процесах. Звідси - вміст АТФ у клітинах має першорядне значення з точки зору енергетичного режиму.

Головний шлях синтезу АТФ - це біологічне окислення, спряжене із процесом фосфорилювання, який відбувається в мітохондріях.

До сполук, які містять макроергічний зв'язок, окрім АТФ належать ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ.

Тіоефірні похідні. Крім фосфатних похідних, які мають макроергічні зв'язки, існують також тіоефірні сполуки, що утворюються в процесі активації молекул різних кислот, у тому числі й оцтової кислоти, за участю коферменту ацетилювання, що позначається КоА—SH (КоА - кофермент ацетилювання, а SH - функціональна група

Ацетил-КоА включається в цикл Кребса, у ході якого утворюється С02 й вода, а енергія акумулюється в АТФ. При розриві тіо-ефірного зв'язку виділяється в середньому 33,6 кДж енергії на 1 моль, тобто приблизно стільки ж, скільки (за деяких умов) при гідролізі АТФ на АДФ і фосфорну кислоту.

Біоенергетика

Як уже зазначалося, організми людини і вищих тварин є гетеро-трофами - вони отримують енергію з поживними речовинами. Однак енергія, яка міститься в хімічних зв'язках вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук, відразу не може бути використана безпосередньо для виконання тієї або іншої роботи в клітині. Тому ці групи речовин в обмінних процесах зазнають розщеплення, а потім -окислення.

У зв'язку з тим, що джерелом енергії у клітині виступає головним чином електрон водню, то процес її вивільнення можна уявити як процес вивільнення водню й умовно розбити на три етапи (фази)

1) підготовчий етап - відбувається переведення ви-сокомолекулярних біополімерів, які надходять з їжею або знаходяться всередині клітин, у зручну для вилучення енергії форму - мономери. На цьому етапі звільнюється незначна кількість енергії, приблизно до 1\% енергії субстратів, але й вона розсіюється у формі тепла.

На другому етапі мономери розпадаються в клітинах тканин і органів на більш прості сполуки, які можуть бути однаковими в різних мономерів.

На другому етапі, який відбувається в анаеробних умовах, звільнюється близько 25-30\% енергії вихідних речовин. Частина цієї енергії акумулюється у фосфатних зв'язках АТФ (субстратне фосфорилювання), а частина розсіюється у вигляді тепла. Перетворення мономерів протікає в гіалоплазмі, а кінцеві реакції - в мітохондріях.

Третя фаза - остаточний розпад речовин до С02 і Н20 за участю кисню і з повним звільненням енергії. Близько 70-80\% усієї енергії хімічних зв'язків речовин звільнюється в цій фазі. Всі реакції цієї фази локалізовані в мітохондріях.

5. Біологічне окислення. Сучасні уявлення про біологічне окислення і тканинне дихання

Більша частина енергії, необхідної для життєдіяльності, утворюється внаслідок окислювально-відновних реакцій.

Окислення речовин може здійснюватися такими шляхами: а) відщепленням водню від субстрату, який окислюється (процес дегідрування); б) віддачею субстратом електрона; в) приєднанням кисню до субстрату.

Окисленням називають усі хімічні реакції, під час яких відбувається віддача електронів, що супроводжується збільшенням позитивних валентностей. Але одночасно з окисленням однієї речовини повинне відбуватися й відновлення, тобто приєднання електронів до іншої речовини.

Таким чином, біологічне окислення й відновлення - це відповідні реакції переносу електронів, що відбуваються в живих організмах, а тканинне дихання - такий вид біологічного окислення, при якому акцептором електрона є молекулярний кисень.

Вивчення процесів біологічного окислення започаткував у XVIII ст. А. Лавуазьє. Він звернув увагу на наявність певної тотожності процесів горіння органічних речовин поза організмом і диханням тварин. Виявилося, що при диханні, як і при горінні, поглинається кисень і утворюються С02 и Н20, проте процес «горіння» в організмі йде дуже повільно, до того ж, без полум'я.

Проте залишалося незрозумілим, чому це особливе повільне «горіння» в організмі відбувається за незвичайних умов:за певної низької температури (36-37°С), без виникнення полум'я (як це має місце при горінні) і в присутності води, вміст якої досягає в тканинах 75-80\% від загальної маси і яка у звичайних умовах горінню заважає

Одна з перших теорій біологічного окислення, пов'язаних з «активацією» кисню, була розвинута російським вченим О.М.Бахом (1897), який вважав, що молекула кисню здатна діяти як окислювач органічних речовин тільки після своєї активації внаслідок розриву одного із зв'язків у його молекулі (-0-0-).

У цих реакціях окислення йде паралельно з відновленням. У такий спосіб О.М. Бах уперше сформулював ідею про спряженість окислювально-відновних процесів при диханні. Теорія О.М. Баха отримала назву «перекисної теорії» активації кисню.

Значну роль у розвитку теорії біологічного окислення відіграли роботи іншого російського вченого - В.І. Палладіна (1907). Він розвинув уявлення про дихання як систему ферментативних процесів і особливого значення надавав окисленню субстратів шляхом відщеплення водню (процес дегідрування).

Таким чином, В. І. Палладін надавав великого значення процесу процесу дегідрування, а також вказував на важливу роль кисню як акцептора водню в процесах біологічного окислення.

Дослідження В. І. Палладіна були підтверджені роботами Г. Віланда, котрий встановив, що процес дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена концепція окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка стала називатися теорією Пал-ладіна-Віланда. Велику роль у підтвердженні цієї теорії відіграло відкриття й вивчення цілого ряду ферментів-дегідрогеназ, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів.