Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Биоокисление и биоэнергетика
Основным источником энергии для всех организмов на Земле является солнечное излучение. Растения в ходе фотосинтеза улавливают эту энергию и расходуют ее на превращение неорганических веществ – СО2 и воды – в богатые энергией органические соединения (например, крахмал). Человек и животные не способны к фотосинтезу и получают необходимую им энергию в виде готовых органических веществ, в ходе распада которых эта энергия освобождается. Часть энергии рассеивается в виде тепла, которое используется на поддержание постоянной температуры тела, а часть – на синтез АТФ. В организме АТФ используется на сокращение мышц (механическую работу), активный транспорт ионов через мембрану (осмотическую работу), для биосинтезов (химическая работа), для регуляции. Таким образом, АТФ сопрягает процессы катаболизма, идущие с выделением энергии, и процессы анаболизма, идущие с потреблением энергии. Катаболизм основных питательных веществ протекает в три этапа. На первом, подготовительном, этапе, который протекает в желудочно-кишечном тракте, происходит расщепление высокомолекулярных соединений пищи до мономеров. Так, углеводы распадаются до глюкозы, жиры – до глицерина и жирных кислот, белки – до аминокислот. На этом этапе освобождается менее 1% энергии преимущественно в виде тепла. Катаболизму подвергаются также эндогенные белки, жиры и углеводы. Их распад происходит в лизосомах. Второй этап катаболизма протекает специфически для веществ каждого класса и завершается образованием четырех главных метаболитов: пирувата, ацетил-КоА, α-кетоглутарата, оксалоацетата. Причем, аминокислоты в ходе пере- и дезаминирования образуют все четыре метаболита, глюкоза в ходе гликолиза превращается в пируват, из которого затем образуется ацетил-КоА, глицерин в ходе окисления превращается в пируват, а затем – тоже в ацетил-КоА, жирные кислоты в ходе β-окисления превращаются сразу в ацетил-КоА. На втором этапе освобождается 1/3 часть энергии питательных веществ. Третий этап катаболизма происходит в митохондриях и представляет собой общий путь катаболизма, протекающий одинаково для метаболитов всех обменов. Третий этап протекает в две фазы: первая фаза – цикл Кребса, в ходе которого освобождаются атомы водорода, поступающие в дыхательную цепь, которая представляет вторую фазу третьего этапа. На третьем этапе катаболизма освобождается 2/3 всей энергии, запасенной в питательных веществах, причем большая часть – в дыхательной цепи.
Пируват, образовавшийся на втором этапе катаболизма, прежде чем вступить в цикл Кребса, подвергается окислительному декарбоксилированию. Реакцию катализирует мультиферментный пируватдегидрогеназный комплекс, в состав которого входит 3 разных фермента и 5 коферментов: тиаминпирофосфат, содержащий витамин В1, НSКоА (в его составе пантотеновая кислота), ФАД (в его составе витамин В2), НАД+, в составе которого витамин РР, и липоамид (в его составе липоевая кислота). Промежуточные метаболиты, образующиеся при участии каждого фермента комплекса, не выделяются в свободном виде, а передаются от одного фермента к другому. Это предотвращает диффузию промежуточных метаболитов, что делает работу комплекса максимально эффективной, так как значительно ускоряет процесс. Суммарное уравнение реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:
CH3-CO-COOH + NAD+ + HSKoA " CH3-CO~SKoA + NADH + H+ + CO2 ЦИКЛ КРЕБСА Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, далее вступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), где оба атома углерода ацетильного остатка окисляются до 2 молекул СО2. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях цикла, поставляются в дыхательную цепь при участии НАД+- и ФАД-зависимых дегидрогеназ. В первой реакции цикла, катализируемой цитратсинтазой, атом углерода метильной группы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата (рис.1). Вторая реакция представляет обратимое превращение цитрата в изоцитрат. В третьей реакции цикла, катализируемой НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата. Эта самая медленная реакция цикла, ее продуктом является α-кетоглутарат. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируемое α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своему строению и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс также состоит из 3 ферментов и 5 коферментов, среди которых тиаминпирофосфат, НSКоА, ФАД, НАД и липоевая кислота. Продуктами реакции являются сукцинил-КоА, СО2 и НАДН. В пятой реакции происходит субстратное фосфорилирование – это синтез ГТФ (или АТФ) из ГДФ (или АДФ) и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при разрыве макроэргической связи в субстрате. В этой реакции происходит разрыв макроэргической связи в сукцинил-КоА, освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования ГДФ до ГТФ. Энергия ГТФ в большей степени используется в биосинтезе белка, поэтому большая часть ГТФ вступает в реакцию с АДФ, в результате чего образуется универсальный макроэрг –АТФ:
ГТФ + АДФ " ГДФ + АТФ
Рис.1. Цикл Кребса
В шестой реакции происходит окисление сукцината до фумарата при участии ФАД-зависимой дегидрогеназы. В седьмой реакции, катализируемой фумаразой, происходит образование малата. В последней реакции цикла происходит дегидрирование малата НАД+-зависимой малатдегидрогеназой в результате чего происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, за один оборот цикла Кребса сгорает одна молекула ацетил-КоА, оба углеродных атома которого превращаются в углекислый газ; а освободившиеся в окислительных реакциях 8 атомов водорода восстанавливают 4 кофермента (3 НАД+ и 1 ФАД). Атомы водорода с восстановленных коферментов поступают в дыхательную цепь, где транспортируются до кислорода, что приводит образованию воды. В итоге конечными продуктами полного окисления ацетил-КоА являются СО2 и вода. Регуляция цикла Кребса: регуляторными ферментами цикла являются цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа (самый медленный фермент), α-кетоглутаратдегидрогеназа. Аллостерически цикл ингибируют АТФ, НАДН и ацил-КоА, активируют АДФ и НАД+. Скорость цикла увеличивается под действием гормонов: катехоламинов и глюкагона (в печени). Поддерживает активность цикла Кребса инсулин. Роль цикла Кребса. Катаболически-энергетическая функция цикла состоит в том, что здесь происходит катаболизм углеродных скелетов метаболитов всех видов обмена; кроме того, здесь происходит дегидрирование субстратов и поставка водородов свосстановленных коферментов в дыхательную цепь. Энергетическая функция цикла состоит в том, что в нем происходит образование 1 АТФ путем субстратного фосфорилирования. Цикл Кребса – один из амфиболических путей метаболизма, то есть он выполняет не только катаболические, но и анаболические функции – ряд промежуточных продуктов используется в качестве субстратов для биосинтезов. Так, α-кетоглутарат и оксалоацетат используются для синтеза заменимых аминокислот, сукцинил-КоА – для биосинтеза порфиринов (гем). Кроме того, метаболиты цикла могут использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина. Анаболические функции цикла Кребса наиболее характерны для клеток печени. Убыль метаболитов, использованных для анаболических целей, восполняется с помощью анаплеротических (пополняющих) реакций, главной из которых является реакция карбоксилирования пирувата, катализируемая пируваткарбоксилазой в присутствии биотина:
Пируват + СО2 + АТФ + Н2О " Оксалоацетат +АДФ +Н3РО4 Цикл Кребса выполняет также и регуляторную функцию, так как его метаболиты выступают в роли регуляторов обменных процессов. Так, НАДН является ингибитором окислительного катаболизма, цитрат активирует синтез жирных кислот и ингибирует гликолиз, ацетил-КоА является обязательным активатором глюконеогенеза и ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
В живых организмах окисление органических веществ кислородом происходит с образованием воды и СО2, что называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает дегидрирование субстратов (отнятие от них водорода) и последующий многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Именно в ходе этого процесса происходит освобождение энергии, заключенной в электронах водорода. Однако в эксперименте непосредственное взаимодействие водорода с кислородом хотя и приводит к образованию воды, но сопровождается взрывом, ибо при этом вся энергия электронов водорода освобождается одномоментно. В организме образование воды происходит через ряд реакций, благодаря этому энергия электронов освобождается не одномоментно, а порциями. Это становится возможным благодаря тому, что во внутреннюю мембрану митохондрий встроена система переносчиков, называемая дыхательной цепью (ДЦ). ДЦ – это совокупность дыхательных переносчиков, которые переносят сначала атомы водорода, а затем только электроны от субстрата на кислород. Большинство переносчиков представляют собой сложные белки-ферменты класса оксидоредуктаз. В их составе содержатся различные небелковые компоненты: ФМН, ионы Fе. Все компоненты ДЦ располагаются в порядке возрастания редокс-потенциала. Самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от НАДН на кислород, при котором на каждом этапе происходит освобождение энергии (рис. 2). НАД2Н ФМН2Н Q2е в2е с12е с2е а2е О
АТФ АТФ АТФ
2H+ H2О О 2-
Рис.2. Дыхательная цепь Дегидрогеназы, отщепляющие атомы водорода от субстратов, делятся на НАД-зависимые и ФАД-зависимые. При участии НАД+-зависимых дегидрогеназ окисляются пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, лактат и др. При участии ФАД-зависимых дегидрогеназ окисляются сукцинат, ацил-КоА, α-глицерофосфат.
Работа ДЦ по транспорту электронов на кислород представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, в которых каждый переносчик способен как окисляться, так и восстанавливаться. Так НАД+ присоединяет водород от субстратов и превращается в восстановленную форму – НАДН, который отдает атомы водорода на следующий переносчик – ФМН. При этом НАДН окисляется, а ФМН восстанавливается. НАДН + Н+ + ФМН " НАД+ + ФМНН2 и т. д. Атомы Н, отщепляемые при участии ФАД-зависимых дегидрогеназ, поступают в ДЦ на уровне коэнзима Q (убихинона). До КоQ по дыхательной цепи одновременно передаются протоны и электроны водорода. Далее по системе цитохромов передаются только электроны. Цитохромы содержат гем, железо в котором может изменять свою валентность: е +Fе3+"Fе2+; Fe2+ - e "Fe3+ Цитохром а, или цитохромоксидаза, передает электроны непосредственно на кислород, при этом цитохром а окисляется, а кислород, приняв 2 электрона, становится дважды отрицательно заряженным (О2-). Такой кислород взаимодействует с двумя протонами, отщепившимися на уровне КoQ, что приводит к образованию эндогенной воды. Но ДЦ работает не ради эндогенной воды, она работает ради освобождения энергии. В ДЦ освобождается энергия электронов водорода при переходе их с одного переносчика на другой. Около 60% энергии освобождается в виде тепла, а на тех участках, где значительный перепад редокс-потенциала и величина освобождаемой энергии составляет не менее 7,3 ккал, ее оказывается достаточно для синтеза АТФ. В виде АТФ в ДЦ аккумулируется 40% энергии. Участки, где в ДЦ происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. При этом происходит сопряжение (взаимосвязь) между окислением (т.е. переносом электронов по цепи переносчиков на кислород) и фосфорилированием АДФ до АТФ. Таких участков в ДЦ три: · Между ФМН и КоQ. · Между цитохромом в и с1. · Между цитохромом а и кислородом. Если субстрат окисляется ФАД-зависимыми дегидрогеназами и атомы водорода вводятся в ДЦ на уровне КоQ, то в таком случае в ДЦ имеется два участка сопряжения: между цитохромом в и с1 и между цитохромом а и О. Результатом сопряжения в ДЦ является окислительное фосфорилирование (ОФ). ОФ – это синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Н3РО4) за счет энергии, освобождаемой при работе ДЦ. Количественно работу ДЦ оценивают по коэффициенту окислительного фосфорилирования Р/О. Коэффициент Р/О – это отношение числа молекул АТФ, образовавшихся в ДЦ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Если субстрат окисляется НАД+-зависимой дегидрогеназой, то Р/О равен 2,5, если ФАД-зависимой – то 1,5. АТФ в клетке образуется из АДФ и неорганического фосфата. Для присоединения фосфата необходима энергия: АДФ + Н3РО4 " АТФ В зависимости от того, какая энергия используется для синтеза АТФ, различают субстратное (СФ) и окислительное фосфорилирование (ОФ). В первом случае для синтеза АТФ используется энергия, возникшая при окислении субстрата, для него не нужна мембрана и при этом образуется мало АТФ. СФ протекает в два этапа:
1. Образование первичного макроэрга (сукцинил-КоА в цикле Кребса, 1,3-бисфосфоглицерата и фосфоенолпирувата в гликолизе) 2. Образование вторичного макроэрга – АТФ. ОФ происходит только в митохондриях и для него необходима мембрана, при этом образуется большое количество АТФ. Для синтеза АТФ в ДЦ используется энергия электрохимического потенциала водорода (∆µН+), который возникает за счет выброса протонов из внутренней мембраны митохондрий в межмембранное пространство. Обратный процесс переноса протонов в матрикс через протонные каналы сопровождается освобождением энергии. Эту энергию и использует АТФ-синтаза для синтеза АТФ. Полное окисление ацетил-КоА до СО2 и воды (т.е. в цикле Кребса и ДЦ) дает 10 АТФ, а полное окисление пирувата – 12,5 АТФ (в окислении пирувата участвуют 4 НАД+-зависимых дегидрогеназы, что дает 4х2.5=10 АТФ, 1 ФАД-зависимая дегидрогеназа, что дает 1,5 АТФ и 1 АТФ образуется субстратным фосфорилированием в цикле Кребса. В окислении ацетил-КоА принимает участие на одну НАД+-зависимую дегидрогеназу меньше). Регуляция ДЦ. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов по ДЦ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду. И наоборот, расход АТФ и накопление АДФ увеличивает окисление субстратов и потребление кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Кроме того, работу ДЦ усиливают катехоламины, глюкагон и йодтиронины. Разобщение в ДЦ. Некоторые химические вещества могут переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы. В результате этого снижается электрохимический потенциал и снижается синтез АТФ. Это явление называют разобщением окисления и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, в результате чего будут страдать все процессы, требующие энергии АТФ (клинически проявляется слабостью, снижением работоспособности, повышением теплопродукции).В этом случае окисление НАДН и ФАДН2 возрастает, возрастает и количество поглощенного кислорода, но большая часть энергии выделяется в виде тепла (может повышаться температура тела) и коэффициент Р/О снижается: становится меньше 2,5 или 1,5 для НАД+- и ФАД-зависимых дегидрогеназ соответственно. Вещества, вызывающие разобщение, называются разобщителями. Физиологическими разобщителями являются жирные кислоты в буром жире. Кроме того, разобщение вызывают большие дозы йодтиронинов, токсические вещества, например, 2,4-динитрофенол; а также некоторые бактериальные токсины, например, дифтерийный. Разобщение окисления и фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания постоянной температуры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных и в процессе адаптации к холоду.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-24; просмотров: 530; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.143.5.217 (0.031 с.) |