Пермська Державна Медична Академія

Кафедра біологічної хімії

Обмін речовин і енергіїв живих організмах.

Виконала: студентка (курсу стомат. факультету

102 групи

Бояршинова Анна Андріївна

Перевірив викладач:

Поносов Віктор Леонідович

Пермь, 2001р.

| |

Обмін речовин.

У живих організмах будь-який процес супроводжується передачею енергії.
Енергію визначають як здатність виконувати роботу. Спеціальний розділфізики, який вивчає властивості і перетворення енергії в різнихсистемах, називається термодинаміки. Під термодинамічної системоюрозуміють сукупність об'єктів, умовно виділених з навколишньогопростору.
Обмін речовин і енергії - це сукупність фізичних, хімічних іфізіологічних процесів перетворення речовин і енергії в живих організмах,а також обмін речовинами та енергією між організмом і навколишнім середовищем.
Обмін речовин у живих організмів полягає в надходженні із зовнішнього середовищарізних речовин, у перетворенні і використанні їх у процесахжиттєдіяльності та у виділенні утворюються продуктів розпаду в навколишнєсередовище.
Все що відбуваються в організмі перетворення речовини та енергії об'єднанізагальною назвою - метаболізм (обмін речовин). На клітинному рівні ціперетворення здійснюються через складні послідовності реакцій,звані шляхами метаболізму, і можуть включати тисячі різноманітнихреакцій. Ці реакції протікають не хаотично, а в суворо визначенійпослідовності і регулюються безліччю генетичних і хімічнихмеханізмів. Метаболізм можна розділити на два взаємопов'язані, алерізноспрямованих процесу: анаболізм (асиміляція) і катаболізм
(дисиміляція).
Анаболізм - це сукупність процесів біосинтезу органічних речовин
(компонентів клітини та інших структур органів і тканин). Він забезпечуєзростання, розвиток, оновлення біологічних структур, а також накопиченняенергії (синтез макроергів). Анаболізм полягає в хімічній модифікаціїі перебудові що надходять з їжею молекул в інші більш складнібіологічні молекули. Наприклад, включення амінокислот у синтезованіклітиною білки відповідно до інструкції, що міститься в генетичномуматеріалі даної клітини.
Катаболізм - це сукупність процесів розщеплення складних молекул добільш простих речовин з використанням частини з них у якості субстратівдля біосинтезу і розщепленням іншої частини до кінцевих продуктівметаболізму з утворенням енергії. До кінцевих продуктів метаболізмувідносяться вода (у людини приблизно 350 мл на день), двоокис вуглецю
(близько 230 мл/хв), оксид вуглецю (0,007 мл/хв), сечовина (близько 30г/день), а також інші речовини, що містять азот (приблизно б г/день).
Катаболізм забезпечує вилучення хімічної енергії містяться вїжі молекул і використання цієї енергії на забезпечення необхіднихфункцій. Наприклад, утворення вільних амінокислот в результатірозщеплення що надходять з їжею білків і подальше окислення цихамінокислот у клітці з утворенням СО2, і Н2О, що супроводжуєтьсявивільненням енергії.
Процеси анаболізму і катаболізму знаходяться в організмі в станідинамічної рівноваги. Переважання анаболічних процесів надкатаболічних призводить до зростання, накопичення маси тканин, а переважаннякатаболічних процесів веде до часткового руйнування тканинних структур.
Стан рівноважного або нерівноважного співвідношення анаболізму ікатаболізму залежить від віку (в дитячому віці переважає анаболізм,у дорослих зазвичай спостерігається рівновага, в старечому віці переважаєкатаболізм), стану здоров'я, виконуваної організмом фізичному абопсихоемоційного навантаження.

Цикл Кребса.

Цикл трикарбонових кислот вперше був відкритий англійським біохіміком
Кребсом. Він першим постулював значення даного циклу, що джереломякого є гліколітичні перетворення вуглеводів. Надалі булопоказоно, що цикл Кребса є тим центром, де сходяться практичновсі метаболічні шляху. Таким чином, цикл Кребса - загальний кінцевий шляхокислення ацетільних груп, до яких перетворюється в процесі катаболізмубільша частина органічних молекул, що грають роль «клітинного палива» --вуглеводів, жирних кислот і амінокислот.

що утворився в результаті гліколізу в циклі Ембдена-Меергофа ацетил-
КоА (продукт окислювального декарбоксилювання пірувату) окислюється доводи і вуглекислого газу в циклі Кребса (лімоннокіслий цикл). Цей процесздійснюється послідовними ферментативними реакціями, в результатіяких вивільняється енергія (схема 6). Повний розпад однієї молекулиглюкози дає 38 молекул АТФ, причому 24 з них утворюються в циклі Кребса.
Ферменти цього циклу локалізуються в матриксі мітохондрій (в стінцівнутрішньої мембрани). Поступив в цикл Кребса ацетил-КоА єкінцевим продуктом катаболізму не лише вуглеводів, але також ліпідів татаких амінокислот, як фенілаланін, тирозин, лейцин та ізолейцин.

Схема 6. Цикл Кребса (лімоннокіслий цикл).

Крім того, існує прямий шлях окислення глюкози - гексозомонофосфатний
(пентозний) цикл, який переважає в еритроцитах статевих залозах, корінаднирників, печінки. Хоча окислення в гексозомонофосфатном циклістановить лише 2% від обміну вуглеводів (при цукровому діабеті можезбільшуватися до 6%), для організму значення цього циклу дуже велике.
Особливість цього процесу - освіта пентоз, накопичення NADPH (2) --коферменту дегідрогеназ, що беруть участь у синтезі нуклеїнових кислот,холестерину, жирних кислот, активації фолієвої кислоти та освіті
АТФ. Гексозомонофосфатний цикл забезпечує також процесигідроксилювання, необхідні для синтезу біогенних амінів (катехоламіни,серотонін) та стероїдних гормонів кори надниркових залоз. Послідовна ланцюгреакцій пентозного циклу (схема 7) призводить до утворення Рибулоза-5 -фосфату, який йде на побудову нуклеотидів або серією зворотних реакційперетвориться в гексозофосфати з використанням їх у гліколітичної циклі.

біологічного окислення

Катаболізм органічних речовин у тканинах супроводжується споживаннямкисню і виділенням СО2. Цей процес називають тканинним диханням.
Кисень у цьому процесі використовується як акцептор водню від окислюються
(дегідріруемих) речовин (субстратів), в результаті чого синтезується вода.
Процес окислення можна представити таким рівнянням: SH2 + 1/2 O2? S
+ H2O. Окислюються різні органічні речовини (S - субстрати),являють собою метаболіти катаболізму, їх дегідрірованіе єекзоергіческім процесом. Енергія, що звільняються в ході реакційокислення, або повністю розсіюється у вигляді тепла, або частково витрачаєтьсяна фосфорилювання ADP з утворенням АТР. Організм перетворює близько 40%енергії, що виділяється при окисленні, в енергію макроергічних зв'язків АТР.
Більшість організмів в біосфері використовує цей спосіб або дуже подібнийз ним (як термінального акцептора водню може бути не кисень,а іншу сполуку) як основне джерело енергії, необхідний для синтезувнутрішньоклітинної АТР. Таким шляхом клітина перетворює хімічну енергіюпоживних речовин, що надійшли ззовні, в утилізованих метаболічнуенергію. Реакція дегідрірованія і спосіб перетворення виділилася енергіїшляхом синтезу АТР - це енергетично пов'язані реакції. Цілком весьпов'язаний процес називається окислювальним фосфорилюванням ADP:

Окислювальне фосфорилювання ADP

Ланцюг транспорту електронів - ЦТЕ
Зазначене вище рівняння для окисно-відновної реакціїявляє собою узагальнену форму, тому що зображає процес окисленнясубстратів як пряме дегідрірованіе, причому кисень виступає в ролібезпосереднього акцептора водню. Насправді кисень бере участь утранспорті електронів іншим чином. Існують проміжні переносникипри транспорті електронів від вихідного донора електронів SH2 дотерміналу акцептор - О2. Повний процес являє собою ланцюгпослідовних окисно-відновних реакцій, в ході якихвідбувається взаємодія між переносниками. Кожен проміжнийпереносник спочатку виступає в ролі акцептора електронів і протонів і зокисленого стану переходить у відновлену форму. Потім він передаєелектрон наступного переносники і знову повертається в окисленістан. На останній стадії переносник передає електрони кисню,який потім відновлюється до води. Сукупність послідовнихокислювально-відновних реакцій називається ланцюгом перенесення
(транспорту) електронів, або дихальної ланцюгом:

Перенесення електронів і протонів за участю проміжних переносників. SH2 - вихідний донор протонів і електронів; P - проміжні переносники; E1,

E2, E3, E4 - ферменти окисно-відновних реакцій
Проміжними переносниками в дихальної ланцюга у вищих організмівє коферменти: NAD + (нікотинамід-аденіндінуклеотід), FAD і FMN
(флавінаденіндінуклеотід і флавінмононуклеотід), кофермент Q (CoQ),сімейство гемсодержащіх білків - цитохромів (що позначаються як цитохроми b,
С1, С, А, А3) і білки, що містять негеміновое залізо. Всі учасники цієїланцюга розділені на чотири окисно-відновні системи, пов'язаніУбихинон (CoQ) і цитохромом С. Процес починається з перенесення протонів іелектронів від окисляє субстрату на коферменти NAD + або FAD. Цевизначається тим, чи є дегідрогеназ, що каталізує першу стадію,
NAD - залежною або FAD - залежною. Якщо процес починається з NAD +, тонаступним переносником буде FMN.

Послідовність проміжних переносників протонів і електронів в дихальної ланцюга
Тип бере участь дегідрогенази залежить від природи субстрату. Але яким би небув вихідний субстрат, електрони і протони від флавін переносяться докоферменту Q, а далі шляху електронів і протонів розходяться. Електрони здопомогою системи цитохромів досягають кисню, який потім, приєднуючипротони, перетворюється на воду. Щоб розібратися в системі транспортуелектронів, необхідно познайомитися з окремими її учасниками. NAD --залежна дегідрогеназ каталізує реакції окислення безпосередньосубстрату (первинна дегідрогеназ). NAD + є коферментом і виконуєроль акцептора водню:

Коферменти дегідрогеназ
Символ 2Н + означає два електрони і два протона, звичайно переносяться у виглядігідрид іона. У цьому випадку замість термінів «донор електронів» і «акцепторелектронів »іноді використовують терміни« донор або акцептор водню ». FAD --залежна дегідрогеназ також виконує функцію первинної дегідрогенази.
Коферментом є FAD, який є акцептором водню відсубстрату. NADH - дегідрогеназ каталізує окислення NADH івідновлення Убихинон (CoQ). Переносником водню є кофермент -
FMN (комплекс 1). У процесі реакції водень спочатку приєднується до FMN,сполученого з ферментом, а потім передається на Убихинон. Флавіновиекоферменти (FAD і FMN) міцно пов'язані з ферментом як простетичноїгрупи, тому ферменти, до складу яких вони входять, називаютьсяфлавопротеїни. Флавінмононуклеотід (FMN), або рибофлавін фосфат, нерозривнопов'язаний з білкової частиною ферменту. Строго кажучи, FMN не єнуклеотидів, так як флавіновая частина пов'язана з рібітолом, а не з рибоза.
Убихинон (кофермент Q) - похідне ізопрену:

Назва «Убихинон» виникло через його повсюдної поширеності вприроді. Кофермент Q діє як переносник електронів на цитохроми.
Цитохроми - це гемопротеїни - білки, що містять як міцнопов'язаної простетичної групи гем:

простетичної група гема в структурі цитохромів
Атом заліза в геме може змінювати валентність, приєднуючи або віддаючиелектрони:

У дихального ланцюга цитохроми служать переносниками електронів ірозташовуються відповідно величиною окисно-відновногопотенціалу в такий спосіб: B, С1, С, а, а3. Гемовие групи цитохромівпов'язані з білкової частиною донорно-акцепторні зв'язками між іоном заліза івідповідними амінокислотними залишками:

Зв'язування гема з білкової частиною цитохрому З
У цитохрому С і С1 додаткові ковалентні зв'язку формуються міжтіогруппамі цистеїну і бічними вінільнимі групами гема. QН2-дегідрогеназ
(комплекс III) являє собою комплекс цитохромів b і С1. Цей ферменткаталізує окислення відновленого коферменту Q і перенесення електронівна цитохром С. Електрони послідовно переносяться атомами залізацитохромів b і С1, а потім надходять на цитохром С. Протони після окислення
QH2 звільняються в розчин.
Цитохромоксидази включає комплекс цитохромів а й а3 (комплекс IV).
Цитохромоксидази крім гема містить іони міді, які здатні мінятивалентність і в такий спосіб брати участь у переносі електронів:

Цитохромоксидази переносить електрони з цитохрому С на кисень. У перенесенняелектронів беруть участь спочатку іони заліза цитохромів а і а3, а потім іонміді цитохрому а3. Молекула кисню зв'язується з залізом в гемецитохрому а3. Отже, перехід електронів на кисень з іона мідіцитохрому а3, відбувається на молекулі ферменту. Кожен з атомів молекуликисню приєднує по два електрона і протона, утворюючи при цьомумолекулу води.
Білки, що містять негеміновое залізо. Деяка кількість атомів заліза вмітохондріях пов'язано не в геме цитохромів, а утворює комплекси з іншимибілками. Ці білки називають також железосернимі, тому що атоми залізапов'язані з атомами сірки цистеїнових залишків. Білки, що містять негеміновоезалізо, беруть участь у переносі електронів на кількох стадіях, однак, незовсім ясні їх локалізація і механізм дії.

Окислювальне фосфорилювання
Енергія, що утворюється при проходженні потоку електронів по дихальноїланцюги, використовується для сполученого фосфорилювання ADP. Ці два процесивзаємозалежні: окислення не може протікати у відсутності ADP. Співвідношенняокислення і фосфорилювання визначається коефіцієнтом P/O (кількістьмоль фосфорілірованний ADP на 1/2 моль кисню) коефіцієнт Р/Проназивається коефіцієнтом окисного фосфорилювання і залежить від точкивходження відновних еквівалентів в ланцюг транспорту електронів.
Наприклад Р/О = 3, для субстратів, окислюється NAD - залежною дегідрогеназ,так як в дихальної ланцюга є три ділянки, де перенесення електронівпов'язаний із синтезом АТР. Не всі субстрати передають електрони і протони на
NAD, деякі окислюються FAD - залежними дегідрогеназ, якіпереносять протони і електрони відразу на Убихинон, минаючи перший комплекс. Уцьому випадку Р/О = 2. Насправді коефіцієнт фосфорилювання завждименше теоретичної величини, тому що частина енергії, що вивільняєтьсяпри транспорті електронів, витрачається не на синтез АТР, а для перенесенняречовин через мітохондріальну мембрану.
У добу людина споживає в середньому 27 моль кисню. Основна йогокількість (приблизно 25 моль) використовується в мітохондріях в дихальнійланцюга. Отже, щодоби синтезується 125 моль ATP або 62 кг (прирозрахунку використовували коефіцієнт Р/О = 2,5, тобто середнє значеннякоефіцієнта фосфорилювання). Маса всій АТР, що міститься в організмі,становить приблизно 20-30 р. Отже, можна зробити висновок, що кожнамолекула АТР за добу 2500 раз проходить процес гідролізу і синтезу, що іхарактеризує інтенсивність обміну АТР.

Сполучення роботи дихального ланцюга з процесом синтезу АТР
Існування такого сполучення доводиться тим, що можна інгібуватиосвіта АТР, не порушуючи процесу транспорту електронів. Це досягаєтьсядодаванням хімічних речовин, названих разобщітелямі. Після видаленняразобщітелей синтез АТР відновлюється. Вивчення механізму сполученнідає відповідь на основні питання:

1. яким чином транспорт електронів служить джерелом енергії?

2. як ця енергія передається в реакцію ADP + Pi a АТР?
Існує кілька гіпотез, що пояснюють механізм утворення пари. Однією з нихє хемоосмотіческая теорія. Ланцюг транспорту електронів функціонуєяк протонна (Н +) помпа, здійснюючи перенесення протонів з матриксу черезвнутрішню мембрану в міжмембранну простір. Ендоергіческій процесвикиду протонів з матриксу можливий за рахунок екзоергіческіх окислювально -восстановітельних реакцій дихального ланцюга. Перенесення протонів призводить довиникнення різниці концентрації Н + з двох сторін мітохондріальноїмембрани: більш висока концентрація буде зовні і нижча - усередині.
Мітохондрія в результаті переходить в «енергізованное» стан, тому щовиникає градієнт концентрації Н + та одночасно різниця електричнихпотенціалів зі знаком плюс на зовнішній поверхні.
Електрохімічний потенціал здатний здійснювати «корисну» роботу, вінзмушує протони рухатися у зворотному напрямку, але мембрананепроникна для них, крім окремих ділянок, які називаються протоннимканалами. Зворотний перенесення протонів в матрикс є екзоергіческімпроцесом, що вивільняється при цьому енергія використовується нафосфорилювання ADP. Цю реакцію каталізує фермент Н +-АТР-синтетазу,що розташовується в області протонних каналів на внутрішній поверхнівнутрішньої мембрани.

З опряженіе ланцюга транспорту електронів і фосфорилювання ADP за допомогою протонного градієнта

З труктура компонентів комплексу I, що забезпечує функціонування

«протонної помпи» при окисленні NADH

роз'єднання дихання і фосфорилювання
Переконливі експериментальні докази на користь наведеного механізмусполучення дихання і фосфорилювання були отримані за допомогою іонофоров.
Молекули цих речовин, як правило, ліпофільних і здатні переносити іоничерез мембрану. Наприклад, 2,4-дінітрофенол (протонофор) легко дифундуєчерез мембрану, в іонізованій і неіонізованій формі, переносячи протониу бік їх меншій концентрації в обхід протонних каналів. Таким чином,
2,4-дінітрофенол знищує електрохімічний потенціал, і синтез АТРстає неможливим, хоча окислення субстратів при цьому відбувається.
Енергія дихального ланцюга в цьому випадку повністю розсіюється у виглядітеплоти. Цим пояснюється пірогенний дію разобщітелей. Роз'єднуютьдією володіють гормон щитовидної залози - тироксин, а також деякіантибіотики, такі як валіноміцін і граміцидин.

Дихальний контроль
Швидкість дихання мітохондрій може контролюватися концентрацією ADP. Цепояснюється тим, що окислення і фосфорилювання жорстко пов'язані.
Енергія, необхідна клітці для здійснення роботи, поставляється за рахунокгідролізу АТР. Концентрація ADP при цьому збільшується, у результатістворюються умови для прискорення дихання, що й веде до заповнення запасів
АТР.

Інгібітори ланцюга транспорту електронів і окисного фосфорилювання
Інгібітори, що блокують дихальну ланцюг, діють в певних місцях,перешкоджаючи роботі дихальних ферментів (KCN, барбітурати, ротеноном).
Існують також речовини, інгібуючі окисне фосфорилювання.