Метаболические пути и обмен энергией.

1. Понятие о метаболизме

2. Биологическое окисление

3. Ферменты биологического окисления

4. Окислительное фосфорилирование

 

1. Метаболизм – это вся совокупность ферментативных реакций происходящих в клетке, это высокоинтегрированный и целенаправленный процесс в котором участвует ряд мультиферментных систем, обеспечивающих обмен веществами и энергией между клеткой и окружающей средой.

Метаболизм выполняет 4 специфические функции:

1) Извлечение энергии из окружающей среды

2) Превращение экзогенных веществ в предшественников макромолекулярных компонентов клетки

3) Сборка белков, нуклеиновых кислот, жиров и других клеточных компонентов.

4) Синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения специфических функций данных клетке

Последовательность метаболических реакций особенно центральных метаболических путей идентично у всех живых форм.

Все клетки делят на 2 группы в зависимости от химической формы углерода получаемого из окружающей среды.

1группа: автотрофы – углекислый газ

2группа: гетеротрофные клетки – получают углерод в виде сложных восстановленных органических соединений.

Второй признак по которому классифицируют клетки – их отношение к источнику энергии.

Хемотрофные – используют энергию в результате о.в. реакций.

Фототрофные – получают энергию света.

Обе эти категории делят на группы в зависимости от природы доноров электронов, которые они используют для получения энергии.

Если донорами электронов являются сложные органические молекулы, то такие клетки называются хемоорганотрофы или фотоорганотрофы.

Подавляющее большинство организмов относится к фотолитотрофам или хемоорганотрофам.

Хемоорганотрофы делятся на 2 группы:

· Аэробы – используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород.

· Анаэробы – используют другие вещества.

Метаболизм складывается из 2 процессов: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм – это ферментативное расщепление сравнительно крупных биомолекул, осуществляющееся преимущественно за счет реакции окисления. Катаболизм сопровождается выделением энергии заключенной в сложных структурах органической молекулы и запасанием ее в форме энергии фосфатных связей АТФ.

Анаболизм – это ферментативный синтез сравнительно крупных клеточных компонентов их простых предшественников.

Эти процессы связаны с потреблением энергии, которая предоставляется в форме фосфолипидных связей АТФ.

Катаболические и анаболические пути между предшественником и продуктом обычно не совпадают по следующим соображениям: энергетическим, по локализации, третье касается генетической и аллостерической регуляции. Хотя эти пути не эдентичны, но их связывает общая стадия – центральный путь метаболизма.

2. Биологическое окисление представляет собой низкотемпературное горение. Свободная энергия запасается в клетках в форме химической энергии фосфатных связей АТФ.

АТФ является перемещеющимся источником энергии, но существуют и другие формы передачи энергии, которые представляют собой перенос электронов.

В клетках электроны осовобождаемые при катаболизме в реакциях окисления передаются восстанавливаемым группам с помощью коферментов, играющих роль переносчиков электронов.

1 этап биологического окисления состоит в отдаче водорода субстратами. Все типы биологического окисления органических веществ можно свести к 3:

1) Дегидрирование насыщенных соединений, которое сводится к образованию двойных связей

2) Дегидрирование спиртов с образованием кетонов или альдегидов.

3) Перевод альдегидов в карбоновые кислоты.

3. В биологических системах перенос водорода осуществляется специфическими акцепторами – дегидрогиназами.

К специфическому акцептору, которым служит или 2-ой субстрат или кофермент. Для большинства ферментов переносящих водород известны кофермента: никотинаминадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ)

При замещении водорода остатком фосфорной кислоты образуется НАДФ.

Нуклеотиды могут обратимо присоединять атомы водорода, на этом основана их коферментная функция при переносе водорода.

НАД и НАДФ содержится во всех клетках, но НАД превышает содержание НАДФ.

В природе существует более 200 видов дегидрогиназ. НАД системы принимают участие преимущественно в окислительных реакциях распада, а НАДФ катализируют реакции восстановительного синтеза.

Существует еще одна группа ферментов биологического окисления, это ферменты содержащие в своем составе в качестве коферментов одну из двух производных рибофлавина (витамина ):

· Флавинмононуклеотид (ФМН)

· Флавинадениндинуклеотид (ФАД)

Эти соединения относятся к флавопротеидам. В зависимости от выполняемой функции флавиновые ферменты делят на группы:

1) Цитохромредуктазы – у них акцепторами электронов являются цитохромы, они относятся к гемопротеидам и представляют собой ферменты дыхания.

2) Оксидазы – реагируют непосредственно с кислородом

3) Диафоразы – у них акцептором водорода служит красящее вещество.

 

4. В 1930 году Энгельгардтом были проведены исследования, которые показали взаимосвязь между синтезом АТФ и дыханием.

При интенсификации дыхания усиливается синтез АТФ. При окислении одной молекулы водорода происходит синтез 3 АТФ.

Фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, происходящее при окислении веществ называют аэробным фосфорилированием.

При окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов дыхательной цепи для осуществления которого необходимы восстановленные НАД и НАДФ.

В настоящее время предложена следующая схема окислительного фосфорилирования.

Р~Х+АДФ→АТФ+Х

В этой схеме вещество окисляется, вещество В восстанавливается, Х служит переносчиком энергии при переносе электронов.

За счет энергии окисления и за счет переноса электронов от системы с более отрицательным значением о.в. потенциала к системе с менее отрицательным значением.

Вещество А образует с веществом Х макроэргическую связь, затем это вещество подвергается фосфорилированию, в результате образуется фосфофермент с макроэргической связью.

Реагируя с АДФ фосфофермент переносит фосфат на него с образованием АТФ.

 

 

Обмен углеводов

1. Фосфорилирование глюкозы

2. Глюконеогенез

3. Гликолиз

4. Цикл Кребса

5. Петозофосфатный цикл

6. Синтез и превращение углеводов

1. Все клетки способны к превращениям глюкозы и содержат фермент гексакиназу. Глюкоза во всех клетках может вступать лишь в одну реакцию фосфорилирования.

Фермент гексакиназа не специфичен и проявляет способность катализировать также образование фосфорных эфиров фруктозы, галактозы и т.д. Важным свойством этого фермента является ингибирование продуктами реакции глюкозы-6-фосфат. В клетках всегда присутствует еще один фермент, который катализирует, который катализирует эту реакцию – глюкокиназа. Этот фермент не ингибируется продуктами.

2. Глюконеогенез – это процесс образования нового сахара из неуглеводных предшественников среди которых наибольшее значение имеют пировиноградная кислота (пируват) и молочная кислота (лактат).

Глюконеогенез это анаболический путь. Пируват в организме частично превращается в глюкозу через цикл Кори. Этот цикл включает 2 стадии:

1) Карбоксилирование пирувата, она включает в себя 7 реакций.

 

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

2) Дефосфорилирование фруктозы-1,6 дифосфатом, включает 3 реакции.

1.

 

2.

 

 

3.

Суммарный процесс глюконеогенеза

2 лактат + 6 АТФ + 6 Н2О→глюкоза + 6 АДФ + 6 Н3РО4

Лактат во всех живых клетках под действием фермента переходит в пируват, который и вступает в реакцию глюконеогенеза. Если возникает недостаток глюкозы в организме, реализуется процесс биосинтеза.

3. Гликолиз – это процесс катаболический. Он представляет собой анаэробный путь окисления. Процесс окисления глюкозы лежит в основе центрального процесса жизнедеятельности.

Путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса (гликолиз)

В результате 2 последовательных реакций в присутствии фермента алкогольдегидрогиназа образуется спирт и углекислый газ.

Суммарное уравнение гликолиза

Глюкоза Лактат

Биологическое значение гликолиза заключается в использовании организмом выделяемой энергии. Это многоступенчатый процесс, вкотором учавствует 13 основных и большое количество второстепенных ферментов. Если исходным углеводом является гликоген, то процесс называется гликогенолиз и отличается только начальными стадиями.

Гликоген→ глюкоза-1-фосфат→ глюкоза-6-фосфат

Этот процесс регулируется гормоном инсулином. Если инсулина не хватает, то гликоген расщепляется до глюкозы и она в больших количествах выделяется из организма не вступая в реакции обмена. В этом случае развивается сахарный диабет.

4. Цикл Кребса представляет собой аэробный распад глюкозы. Переход от анаэробного пути распада углеводов к аэробному называется пируватдегидрогиназной реакцией (цикл Кребса).

Цикл Кребса занимает важное место в процессах обмена веществ, также имеет название цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновых кислот (все это тот же цикл Кребса).

При окислении пирувата через этот цикл образуется ряд промежуточных продуктов, которые приводят к синтезу важнейших для организма соединений. Сопряжение 2 путей окисления углеводов анаэробного и аэробного происходит на уровне ацетилкофермента-А из пирувата. Этот процесс катализируется пируватдегидрогиназным комплексом, в который входит 3 фермента и 5 коферментов.

5. Основной путь распада углеводов который лежит в основе процессов дыхания и брожения это гликолиз. Но на ряду сним существуют и другие пути метаболизма углеводов. Один из них это окисление углеводов без предварительного расщепления триоз. Распад происходит до пентоз поэтому и называется цикл петозофосфатным (гексозомонофосфатный шунт или путь Варбурга-Дикенса-Хоррекера)

 

При полном окислении глюкозо-6-фосфата образуется 36 молекул АТФ.

Значение пентозофосфатного пути:

1) В ходе данного процесса синтезируются пентозы

2) Образуется кофермент НАДФ* в качестве кофермента для анаболических реакций.

3) Этот путь выступает в роли поставляющего энергию процесса. Этот процесс тесно связан с гликолизом и процессами фотосинтеза. Этот цикл является более простым процессом окисления глюкозы по сравнению с циклом Кребса и через пируват.

6. Углеводы в тканях являются подвижными соединениями, наличие многочисленных ферментных систем позволяет непрерывно происходить в тканях процессам синтеза, распада и взаимопревращения углеводов.

Синтез сахарозы.

Основным продуктом образующимся в фотосинтезе у растений является фруктозо-6-фосфат. Он превращается в сахарозу через ряд реакций.

Суммарное уравнение этого процесса

2-фруктозо-6-фосфат + АТФ + → сахароза +АДФ +

Синтез крахмала.

Механизмы биосинтеза амилозы и амилопектина различны. Исходным продуктом для синтеза амилозы является глюкозо-1-фосфат. Соединение отдельных молекул глюкозо-1-фосфата между собой катализируется ферментом α-глюканфосфорилазой. При этом отщепляется фосфорная кислота и образуется α-1,4 гликозидная связь. Для действия фермента необходимо наличие в реакционной среде небольшого количества затравки полисахаридов построенных из 3-4 остатков глюкозы соединенных 1,4- гликозидными связями. Синтез разветвленной молекулы амилопектина происходит при помощи Q-фермента. Он катализирует превращение амилозы в амилопектин. Если в реакционной среде имеется смесь фосфорилазы, Q-фермента, глюкозо-1-фосфата и затравки, то сразу происходит синтез амилопектина минуя стадию синтеза амилазы.

Распад крахмала.

Этот процесс может протекать в результате 2 типов реакции: гидролиза и фосфоролиза. Гидролитический распад крахмала осуществляется под действием 4 ферментов:

1) α-амилаза – расщепляет α-1,4-гликозидные связи без определенного порядка. Под действием α-амилазы образуется мальтоза, декстрины и глюкоза.

2) Β-амилаза – вызывает расщепление α-1,4-гликозидных связей, но последовательно отщепляет от молекулы крахмала остатки мальтозы.

3) Глюкоамилаза – последовательно отщепляет остатки глюкозы от концов молекулы крахмала расщепляя α-1,4-гликозидные связи.

4) Амилопектин-1,6-глюкозидаза (R-фермент) – катализирует расщепление α-1,6-гликозидных связей действуя на точки ветвления амилопектина.

Второй тип распада крахмала – фосфоролиз. Сводится к тому к присоединению фосфорной кислоты по месту разрыва гликозидных связей между остатками моносахаридов. При этом образуется глюкозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом глюкозофосфорилазой из класса трансфераз.

Биохимия фотосинтеза

1. Понятие о фотосинтезе

2. Первая фаза фотосинтеза

3. Фотосинтетическое фософорилирование

4. Ассимиляция углекислого газа и путь углерода в фотосинтезе

1. Фотосинтез – это биологический процесс осуществления кругооборот электронов. Он имеет несколько преимуществ:

·Неисчерпаемость источника энергии (солнца)

·Неисчерпаемость донора электронов (воды)

·Выделяющийся кислород является неисчерпаемым резервуаром для стока электронов, позволяющим осуществлять высвобождение энергии из высоко энергетических молекул.

Фотосинтез это основной процесс, который приводит к образованию органических соединений. В процессе фотосинтеза световая энергия превращается в химическую, которая в конечном счете используется для синтеза органических веществ. Схематически фотосинтез можно представить как окислительно-восстановительный процесс взаимодействия углекислого газа и воды, который происходит при участии хлорофилла, поглощающий энергию солнечных лучей. Эта энергия используется для фотохимической реакции, при которой восстанавливается углекислый газ.

По степени восстановления органическое вещество равно углеводу. Хлорофилл в этом процессе играет роль фотосенисибилизатора. Поглощая световую энергию он претерпевает изменение, затем отдает эту энергию другим веществам и возвращается в исходное состояние.

Весь хлорофилл локализован в хлоропластах, которые являются внутриклеточными органеллами. Хлоропласты являются внутриклеточными органеллами, имеют форму дисков соединенных краями. Пластинка хлоропласта состоит из 2 структурно-ассиметричных элементарных мембран. Каждый из них состоит из5 слоев:

ü Слой белка

ü Слой структурноупорядоченных молекул хлорофилла связанных с белком

ü Слой каратиноидов связанных с хлорофиллом

ü Слой фосфолипидов

ü Белковый слой

Хлоропласты имеют собственную ДНК. Она кодирует часть их белков. Также имеется собственный аппарат биосинтеза белков, который по своим свойствам подобен прокариотическому. Считается что хлоропласты – это потомки прокариотических фотосинтетических одноклеточных организмов, в давние времена вступившие в симбиоз с эукариотическими клетками.

Различают 2 вида пигмента хлорофилла:

ü Хлорофилл А -

ü Хлорофилл В -

Структурная формула хлорофилла похожа на структурную формулу группы гемм. Хлорофилл содержит 4 соединенных между собой остатка пиррола, которые образуют порфириновое ядро, оно связано двумя основными и двумя дополнительными валентностями с атомами Mg.

Среди радикалов в молекуле хлорофилла находится остаток фитола – высокомолекулярного непредельного спирта, который придает хлорофиллу липоидные свойств. По строению хлорофилл близок к дыхательным ферментам (каталазе, пироксидазе, цитохромоксидазе). В растениях содержание хлорофилла составляет 1% от массы сухих веществ.

2. Первая фаза фотосинтеза представляет собой поглощение хлорофиллом световой энергии. Первичным фотохимическим процессом может быть диссоциация поглотившей молекулы на атомы или свободные радикалы или ее превращение в неустойчивую форму, которая существует

Возбужденные кванты адсорбируются моекулами хлорофилла А и мигрируют до тех пор, пока не встретят специальную форму хлорофилла А, которая называется (поглощает свет с длиной волны 700мкм). Именно эта форма способна превращать световую энергию в химическую. На каждые 300-400 молекул хлорофилла А приходится одна молекула . Из этой молекулы при поглощении ею света выталкивается электрон и она приобретает заряд.

Окисленная молекула пигмента благодаря источнику электронов снова восстанавливается. Выброшенные электроны обладают высокой кинетической энергией, которая используется для восстановления НАДФ или через ближайший электронный донор присоединяется к .

В первом случае возникает потенциал восстановления и выделенные из электроны не возвращаются.

Во втором случае возникает замкнутый электронный транспорт при котором образуется АТФ, т.е световая энергия переходит в химическую.

Оба процесса протекают одновременно в хлоропластах высших растений и называются фотосинтетическим фосфорилированием.

3. Фотосинтетическое фосфорилирование – это индуцированное светом образование АТФ хлоропластами в соответствии с уравнением:

Реакция в которой единственным продуктом является АТФ называется циклическим фосфорилированием. Циклическое фосфорилирование происходит в анаэробных условиях.