WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

ВВЕДЕНИЕ В МЕТАБОЛИЗМ.

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ.

Метаболизм — совокупность химических реакций, протекающих в клетках организма с момента поступления пищевых веществ в организм до образования конечных продуктов обмена.

Функции метаболизма:

* cнабжение клеток химической энергией;

* превращение молекул пищи в строительные блоки;

* сборка из этих блоков компонентов клетки (белки, липиды, нуклеиновые кислоты);

* синтез и разрушение специализированных биологических молекул (гем, холин).

Метаболический путь — последовательность химических превращений вещества.

Метаболические пути многоэтапны, взаимосвязаны, регулируемы, скоординированы в пространстве. Они бывают линейными (распад и синтез гликогена, гликолиз и др.) и циклическими (цикл трикарбоновых кислот, орнитиновый цикл):

E1 E2 E3 E4 E5 S ® A ® B ® C ® D ® P — пример линейного метаболического пути, где S — исходный субстрат, Р — конечный продукт, А, В, С, D — метаболиты (промежуточные продукты).

Ферменты (фермент), которые определяют скорость всего процесса в целом, называются ключевыми, катализируют необратимые реакции, имеют четвертичную структуру и легко регулируются.

2 стороны метаболизма Катаболизм — процесс расщепления сложных молекул до более простых, идущий с выделением энергии.

Анаболизм — процесс синтеза сложных веществ из более простых, идущий с затратой энергии в виде АТФ.

Анаболизм и катаболизм тесно взаимосвязаны:

* на уровне субстратов (источников углерода);

* на уровне источников энергии:

катаболизм ѕѕѕѕ® АТФ ѕѕѕ® анаболизм.

Прямое преобразование химической энергии субстратов в энергию макроэргических связей АТФ невозможно. Этот процесс разбит на две стадии:

1 S ѕѕѕѕѕѕѕѕѕ® химическая энергия ѕѕѕѕѕѕ® АТФ Высвобождение Преобразование Рассмотрим 1 этап — высвобождение энергии на примере общей схемы катаболизма.

Конечные продукты обмена:

* NН3 — образуется путем дезаминирования;

* СО2 — образуется путем декарбоксилирования;

* Н2О — образуется путем окисления водорода кислородом в дыхательной цепи (тканевое дыхание).

I этап катаболизма происходит в желудочнокишечном тракте и сводится к реакциям гидролиза пищевых веществ. Химическая энергия рассеивается в виде тепла.

II этап (внутриклеточный катаболизм) происходит в цитоплазме и митохондриях.

Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, частично накапливается в виде восстановленных коферментных форм, частично запасается в макроэргических связях АТФ (субстратное фосфорилирование).

III заключительный этап катаболизма протекает в митохондриях и сводится к образованию конечных продуктов обмена СО2 и Н2О. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, 40–45 % ее запасается в виде АТФ (окислительное фосфорилирование).

Общая схема катаболизма пищевых веществ АТФ и адениловая система клетки В энергетическом обеспечении клетки важнейшую роль играет адениловая система, которая включает АМФ, АДФ, Н4Р2О7 (пирофосфат), Н3РО4 (неорганический фосфат) и цАМФ (циклический АМФ). Вопрос об адениловой системе сводится к процессам распада, синтеза АТФ и ее значению для процессов жизнедеятельности клетки.

Главным компонентом адениловой системы клетки является АТФ. Это макроэргическое соединение. Как известно, к макроэргическим относятся соединения, при гидролизе которых высвобождается не менее, чем 5 ккал/моль. В ряду макроэргов клетки АТФ отводится главная роль.

Две фосфоангидридные связи в молекуле АТФ являются макроэргическими. Свободная энергия гидролиза каждой из них равна 7,3 ккал/моль (32 кДж/моль). АТФ обладает высоким потенциалом переноса фосфатных групп на другие вещества (глюкоза, глицерол), тем самым активируя их. С другой стороны, макроэрги, которые имеют больший энергетический потенциал, чем АТФ (например, креатинфосфат), могут переносить свою фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ. Таким образом, АТФ занимает центральное положение в ряду других фосфорилированных соединений клетки и является универсальным макроэргом клетки. Это так называемая клеточная энергетическая валюта.

АТФ используется клетками для процессов биосинтеза (анаболические реакции), активации многих молекул (глюкоза, глицерол), выполнения механической работы, переноса веществ через мембраны, обеспечивает точную передачу генетической информации и др. При этом АТФ может гидролизоваться двумя способами:

АТФ + Н2О = АДФ + неорганический фосфат + энергия (32 кДж\моль);

АТФ + Н2О = АМФ + пирофосфат + энергия (32 кДж\моль).

Синтез АТФ носит название фосфорилирования и описывается уравнением:

АДФ + Н3РО4 = АТФ + Н2О.

Эта реакция происходит при условии обеспечения энергией в количестве не менее 32 кДж/моль.

Если источником этой энергии является транспорт электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, говорят об окислительном фосфорилировании. Это главный путь синтеза АТФ в аэробных клетках.

Если источником энергии является гидролиз макроэргической связи субстрата, говорят о субстратном фосфорилировании. Такой механизм имеет место в цитозоле и митохондриях и может происходить в анаэробных условиях.

У растений существует фотосинтетическое фосфорилирование в хлоропластах.

Источником энергии в данном случае являются кванты солнечного света.

Следует особо подчеркнуть, что процесс окислительного фосфорилирования тесно связан (сопряжен) с окислительновосстановительными реакциями (ОВР), а именно с реакцией окисления водорода кислородом до воды — тканевым дыханием. Реакция образования воды in vitro (в пробирке) сопровождается одномоментным выделением около 230 кДж /моль энергии и описывается как реакция взрыва гремучего газа. В живой клетке такой путь термодинамически невозможен, поэтому окисление водорода до воды in vivo (в организме) характеризуется двумя важными особенностями.

Вопервых, газообразный водород в клетках не образуется. Он входит в состав субстратов и отделяется от них путем дегидрирования. Ферменты, которые катализируют эти реакции, — дегидрогеназы (ДГ). Это двухкомпонентные ферменты;

они делятся на пиридиновые (ПДГ), которые в качестве кофермента используют производные витамина РР — НАД+ и НАДФ+, и флавиновые, которые в качестве кофермента используют производные витамина В2 — ФМН и ФАД. В ходе ОВР субстраты окисляются, а коферменты восстанавливаются:

Дегидрогеназа SH2 ѕѕѕѕ® S + восстановленный кофермент (НАДН Н+, НАДФН Н+, ФМН·Н2, ФАД Н2) Кофермент Вовторых, выделение энергии происходит постепенно, порциями, для чего процесс окисления водорода осуществляется в несколько стадий с участием ферментов дыхательной цепи. Часть этой энергии запасается в виде АТФ в реакции окислительного фосфорилирования.

Восстановленные субстраты, поставляющие атомы водорода для дыхательной цепи, это небольшие молекулы (карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты и др.).

Основными поставщиками восстановленных субстратов являются центральные метаболические пути — окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты и цикл лимонной кислоты. Оба локализованы в матриксе митохондрий, в ходе этих процессов происходят реакции декарбоксилирования (большая часть всей углекислоты, образующейся в клетках, образуется именно здесь). Кроме того, как уже говорилось, в ходе этих процессов происходят реакции дегидрирования субстратов, образуются восстановленные коферментные формы НАДН·Н+ и ФАДН2, водород которых поступает в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий, где происходит его окисление кислородом до воды и синтез АТФ.

Переходим к рассмотрению центральных метаболических путей.

Окислительное декарбоксилирование пирувата Осуществляется при участии набора ферментов, объединенных в пируватдегидрогеназный комплекс (ПВДГК). Это мультиферментная система, которая включает 3 фермента и 5 коферментов (все они являются водорастворимыми витаминами).

Е1 — пируватдекарбоксилаза. Коферментом является активная форма витамина В1, тиамина — ТПФ (тиаминпирофосфат).

Е2 — дигидролипоилацетилтрансфераза. Коферментом является витаминоподобное вещество — липоевая кислота (липоил), которая может временно превращаться в дигидролипоил, присоединив 2 атома водорода. Липоил может также переносить ацетильные остатки.

С этим ферментом также работает активная форма пантотеновой кислоты — КоАSH, которая принимает ацетильный остаток от липоевой кислоты.

Е3 — дигидролипоилдегидрогеназа. Коферментом является ФАД — активная форма витамина В2, рибофлавина. С работой этого фермента связан также кофермент НАД+ — активная форма витамина РР, никотиновой кислоты.

Последовательность реакций, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом Таким образом, в результате образуются конечные продукты — СО2, атомы водорода для дыхательной цепи в составе НАДН·Н+ и богатое энергией макроэргическое соединение ацетилКоА. Лимитирующей реакцией в этом процессе является пируватдекарбоксилазная реакция. Поскольку этот фермент в качестве кофермента использует ТПФ, при недостатке тиамина в пище нарушается окисление пирувата — процесса, который поставляет клеткам энергию. Возникает энергодефицит, что требует коррекции нарушения метаболизма с помощью тиамина.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Лимоннокислый цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) Цикл лимонной кислоты локализован в матриксе митохондрий. Это циклический процесс из восьми последовательных реакций, в результате которых происходит декарбоксилирование и дегидрирование ацетилКоА (универсального клеточного топлива).

Схема лимоннокислого цикла Кребса Ферменты: 1 — цитратсинтаза; 2 — аконитаза; 3 — изоцитратдегидрогеназа;

4 — бкетоглутаратдегидрогеназный комплекс; 5 — сукцинилКоА синтетаза; 6 — сукцинатдегидрогеназа; 7 — фумаратгидратаза; 8 — малатдегидрогеназа.

Цикл начинается с конденсации ацетилКоА с 4углеродной кетокислотой — щавелевоуксусной (ЩУК). В результате образуется трикарбоновая кислота, цитрат.

Изомеризация цитрата ведет к образованию изоцитрата. В ходе последовательных реакций изоцитрат декарбоксилируется и одновременно дегидрируется (фермент изоцитратДГ). Образовавшийся aкетоглутарат также декарбоксилируется и дегидрируется. Образовавшийся макроэрг сукцинилКоА служит источником энергии для синтеза АТФ (субстратное фосфорилирование в цикле Кребса). В результате еще двух дегидрирований (ферменты сукцинатДГ и малатДГ) ЩУК регенерирует и запускает новый оборот цикла Кребса.

Таким образом, наряду с конечным продуктом обмена — СО2 в четырех дегидрогеназных реакциях трижды восстанавливается НАД+(изоцитратДГ, aкетоглутаратДГ, малатДГ) и один раз восстанавливается ФАД (сукцинатДГ). Чтобы цикл мог функционировать, необходимо окислить эти коферменты, т. е. передать атомы водорода в дыхательную цепь, где происходит их окисление кислородом до воды.

Функции цикла Кребса Водороддонорная функция. Цикл Кребса поставляет субстраты для дыхательной цепи (НАДзависимые субстраты: изоцитрат, aкетоглутарат, малат; ФАДзависимый субстрат – сукцинат).

Катаболическая функция. В ходе ЦТК окисляются до конечных продуктов обмена ацетильные остатки, образовавшиеся из топливных молекул (глюкоза, жирные кислоты, глицерол, аминокислоты).

Анаболическая функция. Субстраты ЦТК являются основой для синтеза многих молекул (кетокислоты — бкетоглутарат и ЩУК — могут превращаться в аминокислоты глу и асп; ЩУК может превращаться в глюкозу, сукцинилКоА используется на синтез гема).

Анаплеротическая функция. Цикл не прерывается благодаря реакциям анаплероза (пополнения) фонда его субстратов. Важнейшей анаплеротической реакцией является образование ЩУК (молекулы, запускающей цикл) путем карбоксилирования ПВК.

Энергетическая функция. На уровне сукцинилКоА происходит субстратное фосфорилирование с образованием 1 молекулы макроэрга. Помимо этого, дегидрогеназные реакции в цикле Кребса создают мощный поток электронов, богатых энергией. Эти электроны поступают в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий. Конечным акцептором электронов является кислород. При последовательном переносе электронов на кислород выделяется энергия, достаточная для образования 9 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования. Примечание: более понятной эта цифра станет после того, как мы познакомимся с работой дыхательной цепи и с ферментом, синтезирующим АТФ.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.