Связь обмена веществ с обменом энергии. Понятие об ОВР.
2. общие пути катаболизма
а) цикл трикарбоновых кислот
б) окислительное карбоксилирование ПВК
в) молекулярная организация митохондриальной ЦПЭ
г) синтез АТФ. Хемоосметическая теория Митчелла.
3. ингибиторы дыхательной цепи и разобщители окислительного фосфорилирования
1. обмен веществ включает в себя 3 этапа:
1 .поступление веществ в организм и расщепление основных веществ: белков, жиров, углеводов до мономеров
2.метаболизм или промежуточный обмен
3.выделение продуктов обмена.
Метаболизм состоит из двух фаз: катаболизма (расщепление сложных органических молекул до СО2 , Н2О и мочевины, сопровождается выделением энергии) -экзорганические реакции и анаболизма (синтез сложных веществ (полимеров) из более простых с использованием энергии, выделяющейся при катаболизме) - эндорганические реакции.
Центральная роль в энергетическом обмене принадлежит АТФ, в макроэргических связях которой запасается энергия, выделяемая в процессе катаболизма. АТФ используется в реакциях анаболизма, для поддержания температуры тела, работы организма.
За сутки образуется ~ 60кг АТФ, запасов АТФ в клетке хватает на несколько секунд. Необходимое количество АТФ получается за счет цикла.
Таким образом, синтез АТФ тесно связан с процессами катаболизма. Это превращение и есть сущность энергетического обмена. В организме вещества: белки, жиры, углеводы распадаются в три стадии (рис.1)
1. внеклеточная. Протекает в ЖКТ, где белки, жиры, углеводы распадаются до мономеров или составных частей;
2. внутриклеточная. В результате нее полученные мономеры распадаются либо до пирувата, либо до ацетилкоа. 1 и 2 стадия являются специфическими.
3. общий конечный путь катаболизма. Для всех трех классов веществ - цикл трикарбоновых кислот, т.к. ПВК превращается в ацетилКоА, то у нас есть 2 общих пути катаболизма - окислительное декарбоксилирование пирувата(ПВК—>ацетилкоА) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). В результате ЦТК происходит отщепление двух атомов Н 4 раза (окисление субстратов, участие коферментов) и выделяется СО2. СО2 выделяется с выдыхаемым воздухом, а 2 Н, отщеплённые от субстрата поступают в ЦПЭ или митохондриальную дыхательную цепь, где в результате переноса Н образуется Н2О.
Таким образом, исходя из рис.1, конечными продуктами катаболизма являются СОд, и HjO. Общие пути катаболизма протекают в митохондриях. Конечные продукты: СО2 и Н2 О термодинамически стабильны, содержание кислорода в них больше, чем в начальных продуктах, т.е. реакции катаболизма связаны с реакциями окисления и потреблением О2.
Распад органических веществ в живых тканях, сопровождающийся потреблением (\ и
выделением СО2 и Цр, называется тканевым дыханием. В результате окисления веществ
или субстратов углерод окисляемых веществ включается в СО2, а потребляемый
кислород включается в молекулу H2О(за счет Н окисляемых субстратов).
Если субстрат окисляется, то это означает отщепление от него Н (дегидрирование), если субстрат восстанавливается к нему присоединяется 2 атома Н (гидрирование).
Ферменты, осуществляющие эту реакцию относятся к 1 классу и называют дегидрогеназами (участвуют коферменты НАД и ФАД, т.к. они являются переносчиками двух атомов водорода).
Рис.1
Название фермента при окислении — субстрат + дегидрогеназа, при восстанови продукт+дегидрогеназа. Энергия окисляющихся веществ используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфора (неорганического). Существует 2 основных пути синтеза АТФ
1. путем окислительного фосфорилирования - синтез АТФ с участием ЦПЭ митохондриях).
2. субстратное фосфорилирование - синтез АТФ на уровне субстратов за счет энергии разрыва макроэрической связи субстрата (не требует присутствия мембран митохондрий):гликолиз, ЦТК.
Цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты или цикл Кребса). Значение ЦТК:
1. общий конечный путь катаболизма белков, жиров, углеводов
2. основной, но не единственный постановщик атомов Н, отщепляемых от субстратов
вЦПЭ
3. выполняет не только катаболическую роль, но и анаболическую: метаболиты ЦТК
служат предшественниками для синтеза многих веществ, например, глюкозы и
аминокислот. Протекает в митохондриях, все ферменты, кроме
сукцинатдегидрогеназы находятся в матриксе, СДГ связан с внутренней
мембраной митохондрий, АЦ его выступает в матрикс.
Сущность ЦТК.
Двухуглеродная молекула ацетилКоА взаимодействует с четырехуглеродной молекулой оксалоацетата образуется шестиуглеродная молекула лимонной кислоты (цитрата), от которой в ходе дальнейших реакций отщепляется 2С в виде СО и 4 раза протекает реакция окисления субстратов (дегидрирование или отщепление 2Н). В конечном итоге молекула оксалоацетата регинирирует и может вступать в следующий цикл, а 2 Н, отщепленные от субстрата, поступают в ЦПЭ и в сопряженном с этим процессом образуется АТФ.
Ключевая реакция (регулируется (катализируется) аллостерическим центром) – это реакция скорость лимитирующая.
Таким образом, в результате одного цикла 1 молекула ацетилкоА сгорает до СO2 и Н2О
(ЦПЭ)—»ЦТК и ЦПЭ - единый процесс.
Окислительное декарбоксилирование ПВК - ОДПВК - общий путь катаболизма белков,
жиров, углеводов, протекает в митохондриях, в результате образуется ацетилкоА,
который вступает в ЦТК, восстановленный кофермент НАД и CO2
Катализирует это превращение мультиферментный комплекс, состоящий из трех
ферментов и пяти коферментов.
Ферменты:
Е1 - пируватдекарбоксилаза,
Е 2 - ацетилтрансфераза дегидролипоевой кислоты, Е 3 - дегидрогиназа дигидролипоевой кислоты. 5 коферментов: НАД (витамин РР)
ФАД (витамин В )
тиаминопирофосфат (ТПФ - витамин В )
КоА (витамин пантотеновая кислота)
липоевая кислота
Все ферменты объединены в пируватдегидрогеназный комплекс, аналогичный комплекс функционирует в ЦТК, при превращении а-кетоглутаровой кислоты в сукцинилКоА. В его состав входит около трех десятков ферментов Е1 , около десятка (8) ЕЗ и 1 молекула Е2 . Они соединены с собой таким образом, что серусодержащая часть липоевой кислоты, соединенная с Е2, способна перемещаться последовательно к АЦ Е1 и Е2 —> промежуточные продукты не успевают выходить в раствор.
При недостатке витамина В нарушается процесс ОДПВК - это приводит к накоплению лактата. Наблюдается у алкоголиков с нарушенным режимом питания или при синдроме Вернике-Корсакова. Выделяют 3 реакции:
1 реакция осуществляется с помощью Е1 - пируватдекарбоксилаза КоЕ - производное витамина В - тиаминпирофосфат.
Происходит отщепление карбоксильной группы от пирувата и перенос оставшегося ацильного остатка. СН3СОО на дегидролипоевую кислоту. Дегидролипоевая кислота является коферментом второго фермента - ацетилтрансфераза, она содержит дисульфидную группу в составе и боковую цепь, которая амидной связью соединена с Е2 (рис.1). Рис.1
|
Во второй реакции ацетильный остаток переносится на КоА при помощи фермента Е2 , т.е. фермент Е2 отщепляет ацетильный остаток от собственного кофермента.
В третьей реакциипроисходит окисление дигидролипоата Е2 третьим ферментом -дигидролипоат Е2 дегидрогеназа.
Организация ЦПЭ (по рис.1)
Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос ёиН (т.е. атомов Н), которые отщепляются от субстратов (например, в ЦТК и ОДПВК). Этот процесс включает несколько этапов и в нем участвует ряд переносчиков, образующих ЦПЭ. ЦПЭ локализована во внутренней мембране митохондрий. В переносе ё и Н (т.е. атомов Н) участвуют три класса окислительно-восстановительных ферментов: