Введение в метаболизм

Современное представление о биологическом окислении.


Составляющие элементы дыхательной цепи.

1. О превращении химической энергии в организме.
Каждое органическое соединение обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа - это свободная E (энергия).
Когда соединение сгорает в колориметре, энергия выделяется в виде тепла. Это тепло представляет собой полную (общую энергию).

Связь между тепловым эффектом и свободной энергией процесса
при постоянной температуре и постоянном давлении.
ΔН=ΔG + TΔS ΔН – изменение общей энергии системы
ΔG – изменении свободной энергии
Т - абсолютная температура
ΔS – энтропия системы
Из реакции перехода А→В следует, что изменение свободной энергии равно
ΔG = ΔН - TΔS
Если величина ΔG имее « - » значение, то значит свободная энергия вещества В > свободной энергии вещества А => реакция происходит самопроизвольно с выделением свободной энергии (экзергоническая реакция). Если величина ΔG имее « + » значение, то свободная энергия вещества В реакция протекает с потреблением энергии из вне (эндергоническая реакция).

Промежуточный обмен это превращение веществ от поступления до образования конечных продуктов. Т.е. это совокупность химических реакций, определяющих последовательность изменений метаболическим путем. Промежуточные продукты обмена называются метаболитами.
Анаболизм и катаболизм представляют собой две стороны метаболизма или промежуточного обмена, который обобщает все превращения компонентов пищи с момента её поступления в организм, дальнейшего их превращения в ходе переваривания.
Анаболизм – синтез сложных веществ из простых с потреблением энергии.
Катаболизм – расщепление сложных в-в до простых с выделением энергии.
организмы
Аутотрофные Гетеротрофные
Зелены растения используют энергию солнца в процессе фотосинтеза, создавая органические соединения (У, АК, ЖК)
Из неорганических Ассимилируют готовые органические вещества из растений
Ни жиры, ни углеводы, ни белки, ни продукты их расщепления не являются «топливом» для клеточных процессов.
В результате тканевого дыхания, брожения, гликолиза происходит освобождение энергии, находящейся в сложных органических соединениях, которая частично трансформируется в энергию АТФ, которая и является топливом клетки.

Аккумуляция энергии в виде макроэргических связей.
Энергию связи определяют как разницу свободной энергии соединения, содержащего эту связь, и соединения, получившихся после разрыва.
АТФ + Н2О → АДФ + Фн – уменьшение свободной энергии на 30,2 кДж/моль при рН = 7,0 ; t° = 37°С; 1М концентрации исходного вещества и продуктов реакции.
Макроэргическими – считаются связи, при гидролизе которых изменяется свободная энергия системы. В таких связях разница свободной E соединения, содержащего такую связь, и свободной E, выделяющейся при разрыве этой связи (-G), составляет >21 кдж/моль (или 5 ккал/м).
Макроэргические связи содержат АТФ (энергия гидролиза АТФ в зависимости от локализации в клетке от 40 до 60 кДж/моль)) и несколько менее энергоемкие ГТФ, ЦТФ, ЦТФ, ТТФ, креатин-фосфат, ацилКоА и др. У АТФ макроэргическими ( ~ «тильда») являются две последние связи (G= - 30,2 кдж/моль). Для сравнения – 1-ая фосфодиэфирная связь АТФ = всего 13,8 кдж/м, в АДФ олна.
ОН ОН ОН
| | |
Аденин – рибоза – Р – О ~ Р – О ~ Р – ОН
|| || ||
О О О
Главный путь синтеза АТФ из АДФ окислительное фосфорилирование. АДФ фосфорилируется фосфатом АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О
Субстратное фосфорилирование не требует участия мембран.

Основные источники энергии
пищевые продукты Ж, У, в меньшей степени Б, хотя при белковом питании и голодании их роль возрастает.
Распад глюкозы: С6Н12О6 + 6О2 ═>6СО2 + 6Н2О + 2850 кДж/моль
В углеводах, жирах, белках содержание О2, больше чем в конечных продуктах их распада, следовательно катаболизм этих веществ связан с потреблением кислорода и реакциями окисления – сущность тканевого дыхания . (1777г. Лавуазье)

Современные представления о дыхательной цепи
переноса электронов. (ЭПЦ).
Существуют различные теории биологического окисления:
Перекисная теория биологического оксисления Баха
Окисление глюкозы – Палладин.

Биологическое окисление, или тканевое дыхание – это окислительно-восстановительный процесс разложения субстратов (S), связанный с образованием воды при переносе электронов от Н к О2 и выделением Е.
Механизм тканевого дыхания был раскрыт благодаря исследованиям ученых различных стран: Варбург (Германия), Палладин, Бах, (Россия) и др. (конец 19-начало 20 вв.)
Тканевое дыхание – это полиферментная цепь переноса ℮‾ и Н+ от S (донора водорода) на кислород. Эта цепь переносчиков называется дыхательной цепью.
Водород используется организмом как главное топливо для образования энергии. В митохондриях поток электронов от водорода устремляется к конечному акцептору кислороду, при этом образуется молекула воды, которая является конечным продуктом тканевого дыхания. ═> Тканевое дыхание - окисление субстрата, приводящее к его распаду и образованию энергии.
Например, распад ГЛК до конечных продуктов обмена суммарно выражается следующим уравнением: С6Н12О6 + 6О2 ═>6 СО2+6 Н2О + 2850 кдж/моль.
Это превращение осуществляется (как и окисление др. S). путем дегидрирования или отщепления от окисляемого в-ва Н+ и ℮‾ . При каждом дегидрировании Н2 присоединяется к КоЕ (к коферменту ДГ) и КоЕ восстанавливается:
S•Н2+Ко S + Ко•Н2
Чаще всего такие реакции происходят в митохондриях. Восстановленные коферменты поступают в дыхательную цепь, где они вновь окисляются.
Напр. НАД•Н2 ═>НАД + 2Н+
Отщепившийся Н+ передается не менее чем через 5 переносчиков (до 80) к концу цепи, где соединятся с молекулой О2 и образует воду. Переход Н по ЭПЦ состоит из ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из этих реакций образуется достаточно Е для образования АТФ.
Сопряжение тканевого дыхания (образование Н2О) и фосфорилирования (образования АТФ) называется окислительным фосфорилированием.

Структура и функции дыхательной цепи (ЭПЦ).
Дыхательная цепь состоит из следующих переносчиков : р и е‾
1) Пиридинзависимые ДГ,
их коферментом служат НАД или НАДФ, производные никотиновой кислоты (вит РР) и аденина. Их > 150.
S•H2 + НАД  S + НАД • Н2
Субстрат (НАДФ) окисл. (НАДф•Н2)
восст. форма.
Присоединение и отдача е и Н+ происходит за счет амида никотиновой кислоты. НАД главным образом находится в митохондриях, используется для переноса ℮‾ и р от S к О2; НАДФН2 используется главным образом при синтезе Ж.К.
+ Н3РО4 = НАДФ
НАДФ никотинамидадениндинуклеотид никотинамидадениндинуклеотидфосфат

2) Флавиновые ферменты ≈ 30
Простетической группой является ФАД и ФМН. Это следующие после пиридинзависимых ДГ переносчики
НАД ∙Н2 + ФАД (ФМН)  ↔ НАД +Фн∙Н2
Фн 2Н 2℮‾
ФАД играет роль первичного переносчика р и е (окисление сукцината ЖК) ФАД, ФМН в отличи от НАД прочно связывается с субстратом


3) Убихинон, КоQ10, Q переносчик р и ℮‾ от Фн
Фн ∙Н2 +  Q ↔ Фн + Q ∙Н2
2Н 2℮‾ убихинол

4) Цитохромы переносят только электроны, имеют простетическую группу подобную гемму гемоглобина, отличаются белковым компонентом и некоторыми радикалами в простетической группе. Включается в такой последовательности:
cytbcytс1cytccyt aa3
b1 c1 c – это промежуточные переносчики е.
аа3 (цитохромоксидаза) – конечный переносчик, называется терминальным дыхательным ферментом, т.к. непосредственно взаимодействует с О2 и содержит ионы Сu+1→ Сu+2 , основную функцию выполняет гемовое железо
Fe+3 (aa3) +е (c)  Fe+2 (aa3)
2 Fе+2 + ½ О2о  2 Fе+3 + О-2
О-2 +2Н+  Н2О
На участках между НАД и Q происходит перенос 2℮‾, а с Q на суtb – только 1℮‾, поэтому в цепи на 1 НАД участвуют 2 ряда суt.

Упрощенная схема ЭПЦ.
S•H2 (НАД – завис.) S•H2 (ФАД - завис.)
 ℮‾
НАД •H2  Фн•H2  Q•H2  b  c1  c  aa3 + 1/2 О2 Н2О
 ------------------------------------------- 2Н+
Н2 от первичных доноров (S) вводится в дыхательную цепь с участием ФАД- и НАД- зависимых ДГ.
НАД- зависимые ДГ переносят Н+ с НАДН2 на Фп, затем на убихинон, ФАД-зависимые ДГ переносят Н+ сразу на убихинон.
На стадии образования убихинона сливаются оба потока Н+ вводимых в дыхательные цепь НАД- и ФАД- зависимыми ДГ.
Затем пути р и е расходятся: р поступают в матрикс, ℮‾ через цитохромы передаются на О2. В результате тканевого дыхания в сутки образуется ~ 300-400 мл. воды (так называемая «метаболическая» вода).

Строение митохондрий.
Обычно митохондрии имеют форму цилиндра с закругленными краями; дл. 1-4 мкм; d=0,3 – 0,7 мкм. В различных клетках форма, размеры, число митохондрий различно. Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны по типу мешок в мешке. Внутренняя мембрана (ВМ) имеет выпячивания кристы. Содержимое пространства, ограниченное вн.м., называется матриксом.
Наружная мембрана свободно проницаема для молекул с Мr до 5000Да. Проницаемость ВМ ограничена и избирательна и определяется наличием специальных транспортных систем. НАД-зависимые и некоторые ФАД-зависимые ДГ встроены во ВМ митахондрию, их АЦФ обращены внутрь матрикса, т.к. именно в матриксе находятся их S.

Сопряжение тканевого дыхания и фосфолирования.
Для образования АТФ необходима затрата энергии. В ЭПЦ она образуется на 3-х участках
↓ ↓ ↓
НАД•H2ФпQ•H2bc1caa3H2
Т.о. окислительное фосфорилирование – это синтез АТФ.
Ф-ты ЭПЦ фиксированы во ВМ митохондрий т.о., что их действие векторное (направленное).
Основным проявлением векторности в ЭПЦ является перенос протонов Н+ с внутренней стороны мембраны на наружную.
С НАД•Н2 ℮‾ переходят на Фп, Н+ освобождаются в ММП;
℮‾ с Фн•H2 переходят на Q, а протоны опять поступают в ММП
Q•H2 (убихинол) также высвобождает Н+ в ММП, электроны переходят на цитохромы.
Фп и Q получают протоны из матрикса, а НАД•H2 от S.
Т.о., при переходе всего 2х ℮‾ в ММП переходят 6Н+. Цепь переноса е работает как протонный насос, перекачивая Н+ из матрикса в ММП; В результате по сторонам мембраны создается разность потенциалов со знаком + на НМ.
Электрохимический потенциал заставляет Н+ двигаться в обратном направлении, т.е. с наружной на внутреннюю мембрану. Однако ВМ не проницаема для Н+, за исключением специальных участков, называемых протонными каналами. В них на внутренней стороне располагается фермент Н+-АТФ-синтетаза, катализирующий реакцию: АДФ+Ф=АТФ+Н2О – образующаяся АТФ при помощи фермента транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Транслоказа одновременно переносит АТФ в обратном направлении (из цитозоля в матрикс).
Все эти данные составляют основные положения хемиоосмотической теории Митчелла (1961г.) – теории окислительного фосфорилирования.
Каждая пара протонов способствует образованию 1 мол. АТФ.
Т.о, из НАД•H26Н+3 АТФ,
Фп•Н24Н+2 АТФ.

Разобщающие агенты.
Разобщение процессов тканевого дыхания и фосфорилирования наблюдается при наличии в клетках «протонофоров» - т.е. молекул, способных переносить Н+ через мембрану (ВМ). В этом случае выравнивается градиент концентрации, исчезает движущая сила фосфорилирования. К числу протонов относятся 2,4 динитрофенол, гормоны щитовидной железы, жирные кислоты и др.
Соединения, разобращающие окисление и фосфорилирования, называются разобщителями.
В митохондриях дыхание не всегда сопряжено с фосфорилированием. Такой путь окисления S-в в дыхательные цепи Ленинджером был назван свободным окислением или нефосфорилирующим окислением. В противном случае ЭПЦ работает «вхолостую», вся энергия окисляемых S переходят в тепловую. Митохондрии становятся своеобразной клеточной «печкой». Это необходимо в тех случаях, когда потребность в теплоте для организма важнее, чем потребность в энергии (при переохлаждении).
Для мышечных клеток производство теплоты – это не основная функция. В организме имеется ткань – «бурый жир», митохондрии, которые специализированы на выработке теплоты. Бурого жира много у новорожденных, с возрастом его количество убывает. Необычная для жира окраска обеспечивается большим содержанием в его клетках митохондрий, в них в 10 раз больше ферментов дыхания, чем ферментов фосфорилирования, т.е. они меньше настроены на производство АТФ, на тканевое дыхание. Разобщение дыхания и фосфорилирования в митохондриях бурого жира ведет к образованию теплоты, согревающей протекающую кровь.
Основные компоненты пищи.
С точки зрения законов термодинамики живые организмы – это термодинамически открытые системы, т.е. такие системы, которые постоянно обмениваются с внешней средой веществами и энергией (закрытые – только энергией). Обмен веществ живых организмов включает:
а) поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания).
б) превращение веществ в организме (промежуточный обмен или метаболизма).
в) выделение конечных продуктов обмена.
Масса тела взрослого человека сохраняется постоянной, т.е. масса потребляемых организмом веществ = массе выделяемых из организма веществ за то же время.
В каждой клетке организма происходит постоянный распад ее собственных структурно-функциональных компонентов, за счет чего образуется мономеры: АК, моносахара, ЖК, нуклеотиды и др. Они смешиваются с мономерами, образующимися при распаде продуктов питания, и образуют общий фонд метаболитов организма. Он расходуется по 2-м направлениям:
а) происходит возобновление распавшихся структурно – функциональных компонентов клетки;
б) превращение мономеров в конечные продукты обмена веществ, которые выводятся из организма.
При этом распаде у взрослого человека в сутки выделяется приблизительно 8-12 тысяч кдж. (2000-3000 ккал) энергии. Эта энергия расходуется:
а) на поддержания постоянной температуры тела;
б) на совершение разного рода работы.
Главную долю органических веществ пищи составляет Ж, Б, У, а также минорные компоненты пищи, требующиеся в малых количествах: витамины, минеральные вещества, вода.
Питание – составная часть обмена веществ

У здоровых У больных
Гигиена питания диетология

Среднесуточный рацион взрослого человека ≈ 3000ккал (1ккал=4,19 кДж)
Существует понятие сбалансированное рациональное питание, т.е.соотношение Б:Ж:У: 1:1:4
Среднесуточное потребление энергии с основными пищевыми веществами
у взрослого человека
Б 80г 328 ккал 1360 кДж
Ж 100г 930 ккал 3900 кДж
У 400г 1640 ккал 6800 кДж
∑ 580г 2898 ккал 12060 кДЖ
АК: три 1г, глу 6г, остальные 2-6г.

В зависимости от пола, возраста, климатических условий, профессии эти показатели могут меняться.

Незаменимые компоненты пищи:
Многие пищевые вещества при их дефиците в пище могут синтезироваться клетками организма: жиры из углеводов, углеводы из аминокислот. Такие вещества называются заменимыми.
В ходе эволюции, когда пища содержала готовые витамины и АК, у человеческого организма постепенно отпала необходимость образовывать собственные ферменты для их синтеза, в результате были утрачены соответствующие гены. При этом стали проще метаболические пути, но вместе с тем возникала зависимость организма от поступления некоторых веществ из внешней среды.
Т.о., имеются группы веществ, являющихся для организма незаменимыми. Наличие их в организме жизненно необходимо, синтезировать их организм не в состоянии, поэтому они должны поступать с пищей:
а) некоторые АК
б) некоторые ЖК ( арахидоновая, линолевая, линоленовая)
в) витамины
г) минеральные вещества
д) вода
Аминокислоты делят на 4 групы:
1) незаменимые: вал, лиз, иле, тре, мет, фен, три.
2) частично заменимые: гис, арг,
3) условно заменимые: цис, тир.
4) заменимые: ала, асп, асн, глу, глн, про, гли, сер.
Если в клетке отсутствуют заменимые АК, организм синтезирует ее из других веществ .
Если же в организме отсутствует хотя бы 1 незаменимая АК, то полностью прекращается синтез белков (!)
Частично заменимые АК: Гис и арг синтезируется в организме, однако скорость их образования недостаточна по сравнению с потребностью в них
Условно заменимые АК: могут синтезироваться из незаменимых: тир из фен, цис из мет. Т.о. они заменимы, если в организм в достаточном количестве поступили АК фен и мет.
Незаменимые ЖК: большинство Ж.К. при дефиците их в пище могут синтезироваться из углеводов.
Незаменимыми являются некоторые полиненасыщенные Ж.К.:
Линолевая СН3 – (СН2)4-СН=СН-СН2 СН=СН-(СН2)7-СООН (С18)
Арахидоновая – (С20)
Линоленовая – (С18)
Линолевая и линоленовая Ж.К. являются предшественниками арахидоновой, а из последней синтезируются гормоноподобные вещества – простагландины – высокоактивные биологические вещества.
Минеральные вещества – это хлориды, фосфаты, карбонаты Na+, К+, Са+2, Мg+2, а также микроэлементы Cr, Zn, Со, Сu, Мо и т.д. – поступают с водой и растительной пищей. Их недостаточность возникает редко (железодефицит, анемия, эндемичный зоб)
Вода – небольшое количество воды (≈400г. метаболической воды) образуется в организме при обмене Ж, Б, У, суточная потребность 1750-2200 мл, она поступает в организм с продуктами биологического и небиологического происхождения.