Обмен веществ (метаболизм) все биохимические процессы от поступления веществ в организм до выделения конечных продуктов. Уживотных организмов метаболизм со
|
|
Скачать 198.99 Kb.
|
|
МЕТАБОЛИЗМ Обмен веществ (метаболизм) - все биохимические процессы - от поступления веществ в организм до выделения конечных продуктов. У животных организмов метаболизм состоит из нескольких последовательных этапов: поступления веществ, пищеварения, всасывания в кровь, проникновения в клетку, превращения их в клетке, образования конечных продуктов, обезвреживания токсических метаболитов и выделения их во внешнюю среду. Аналогичная последовательность процессов обмена прослеживается с некоторыми вариациями у растений и микроорганизмов. ^ всегда сопровождается обменом энергии. При распаде веществ, как правило, энергия высвобождается, а при синтезе веществ энергия используется. Обмен веществ и энергии - единый общебиологический процесс. ^
^ Углерод составляет 80% массы липидов, более половины массы белков и около половины - углеводов. Живые организмы, которые используют углерод углекислого газа для синтеза органических соединений называют автотрофами, а те, которые усваивают углерод только из органических соединений – гетеротрофами. К автотрофам относятся зеленые растения, сине-зеленые, серные, водородные и другие фотосинтезирующие бактерии. К гетеротрофам - все животные, нефотосинтезирующие клетки растений, некоторые паразитирующие цветковые растения, грибы и микроорганизмы, не способные к фотосинтезу. Основная масса биогенного азота на земле находится в круговороте (рис. 1):
Человек нуждается примерно в двадцати сложных азотсодержащих веществах, незаменимых факторах питания. Это незаменимые аминокислоты и витамины. Животные поедают растения, выделяют азот в виде мочевины и мочевой кислоты или аммиака. Этот процесс перевода азота из органической формы в неорганическую называется минерализацией.
  ^ Поступление энергии и классификация организмов Организмы, в зависимости от способа получения энергии делятся на 2 группы: фототрофы - используют энергию Солнца; хемотрофы - используют энергию химических связей химических соединений. Каждая из названых групп делится еще на 2 группы в зависимости от источника углерода и доноров электронов: литотрофы - используют углерод углекислого газа, а в качестве доноров электронов используют неорганические вещества: воду, сероводород, аммиак, водород, серу и др; органотрофы - потребляют углерод органических веществ, органические вещества являются и донорами электронов и протонов. Конечным акцептором электронов в окислительно-восстановительных реакциях у организмов могут быть: кислород, нитраты, сульфаты, органические вещества и др. Если конечным акцептором электронов является кислород, то организмы относят к аэробам. Если не кислород - анаэробам. В результате вышеприведенных рассуждений, все организмы делятся: фотолитотрофы, фотоорганотрофы, хемолитотрофы и хемоорганотрофы. Среди них могут быть аэробы и анаэробы. Типичным представителем фотолитотрофов следует считать зеленые клетки высших растений. Они в качестве источника углерода используют углекислый газ, в качестве источника энергии - свет, донором электронов является вода. К хемоорганотрофам относятся животные. У них источник углерода - органические вещества, источник энергии - окислительно-восстановительные реакции, донором электронов являются также органические соединения. К двум остальным группам: фотоорганотрофам и хемолитотрофам относятся различные представители бактерий. ^ Принято различать две стороны обмена веществ - катаболизм и анаболизм. Катаболизм (диссимиляция) - это расщепление веществ с последующим превращением, происходящим с высвобождением энергии. В этом процессе преобладают реакции гидролиза и окисления. В катаболизме различают три стадии (рис. 2).  ^ На первой стадии макромолекулы распадаются на строительные блоки. Белки распадаются на аминокислоты, полисахариды - на моносахара, липиды - на глицерол и жирные кислоты. На этой стадии высвобождается всего около 1% энергии, заключенной в химических связях веществ. На второй стадии все многообразие образовавшихся на первой стадии веществ превращается в 5 соединений. Моносахара, жирные кислоты, глицерол и десять аминокислот превращаются в ацетил-КоА. Аргинин, гистидин, пролин, глутаминовая кислота и глутамин - в α-кетоглутарат; аспарагиновая кислота и аспарагин - в щавелево-уксусную кислоту (оксалоацетат); углеродные скелеты изолейцина, валина и метионина - в сукцинил-КоА. Часть углеродного скелета тирозина и фенилаланина превращается в фумарат. На второй стадии высвобождается 33% энергии. На третьей стадии образовавшиеся на второй стадии 5 соединений окисляются в цикле трикарбоновых кислот. На этой стадии высвобождается 66% энергии химических связей веществ, вступивших в катаболизм. Это самая энергоёмкая стадия катаболизма. Анаболизм (или ассимиляция) - синтез из простых соединений более сложных с затратой энергии. Здесь преобладают реакции химического синтеза и фотосинтеза. Анаболизм в общем плане повторяет катаболизм в обратном направлении. Не все реакции катаболизма обратимы, следовательно, пути анаболизма несколько отличаются от путей катаболизма. Так, из 10 реакций гликолиза необратимы три. В цикле трикарбоновых кислот из 9 реакций необратима одна. Обратимые реакции метаболизма называются амфиболическими. Другим отличием катаболизма и анаболизма является различная локализация этих процессов в клетке. Например, катаболизм жирных кислот (β-окисление) протекает в митохондриях, а синтез жирных кислот - в растворимой фракции цитоплазмы. ^ Каждая клеточная структура выполняет в метаболизме вполне определенную роль.
Привязанность ферментных систем к определенной структуре клетки носит название компартментализации. Благодаря этому достигается высокая скорость и упорядоченность процессов метаболизма. ^ Образующаяся в процессе катаболизма энергия используется для различных целей: механическая работа скелетных и гладких мышечных волокон и других двигательных систем, транспорт веществ в клетку и из клетки, биосинтез веществ в процессе анаболизма, теплопродукция и др. Все перечисленные энергозатраты, за исключением теплопродукции, возможны лишь при участии специальных посредников, в качестве которых выступают химические соединения двух типов: нуклеотидные коферменты и нуклеозидтрифосфаты. 1. Нуклеотидные коферменты: НАД, НАДФ, ФМН, ФАД. Важнейшим из них является НАДФ. В процессе катаболизма НАДФ востанавливается в НАДФН2. В реакциях анаболизма НАДФН2 используется как восстановитель, например, в синтезе жирных кислот. 2. Нуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Наиболее распространённым посредником среди них является аденозинтрифосфат (АТФ). Система АДФ - АТФ -важнейший переносчик энергии в клетке. В физиологических условиях последние две фосфоангидридные связи АТФ заключают в себе значительно больший запас энергии (12 ккал), чем первая связь (3 ккал). Связи, при гидролизе которых высвобождается много энергии в полезной форме, называются макроэргическими. В схемах они обозначаются значком ~ (тильда). Кроме нуклеозидтрифосфатов, макроэргические связи имеются и в других соединениях. Большинство из них - эфиры фосфорной кислоты, но есть и другие, например, тиоэфир а ацил-коА. Энергия АТФ используется в самых разнообразных процессах: мышечном сокращении, реакциях синтеза, процессах ионного переноса, передаче генетической информации, т.е. практически везде. АТФ - хорошо растворимое вещество, хорошо проникает через мембраны, легко транспортируется. Другие нуклеозидтрифосфаты (ГТФ, УТФ, ЦТФ, ТТФ) также участвуют в переносе энергии. Они образуются в процессе катаболизма, например, ГТФ образуется в шестой реакции ЦТК, или из АТФ и соответствующих нуклеозиддифосфатов по уравнению: АТФ + УДФ УТФ + АДФ; АТФ + ЦДФ ЦТФ + АДФ; АТФ + ГДФ ГТФ + АДФ. Приведенные реакции катализируются нуклеозиддифосфаткиназами. Имеется специализация при использовании энергии нуклеозидтрифосфатов для биосинтетических целей. Так, УТФ принимает участие в синтезе полисахаридов, ГТФ - в синтезе белков, ЦТФ в синтезе липидов. ^ Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) образуется при взаимодействии аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) с фосфорной кислотой. Существует два способа синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. ^ заключается в том, что макроэргическая связь переносится от макроэргических соединений на АДФ. В этом случае на АДФ переносится с субстрата макроэргическая связь вместе с фосфатом. Например: субстратное фосфорилирование происходит в одной из реакций цикла трикарбоновых кислот, где ГТФ синтезируется из ГДФ и фосфата за счет энергии макроэргической тиоэфирной связи в сукцинил-КоА. В результате реакции высвобождается свободный КоА и сукцинат. Образовавшийся в этом примере ГТФ нуклеозидфосфаткиназой в присутствии АДФ легко превращается в АТФ по схеме: ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ. ^ - это синтез АТФ из АДФ и Н3Р04, сопряженный с перемещением электронов по дыхательной цепи. Высвобождение энергии из АТФ происходит двумя путями. Наиболее распространённый путь - ортофосфатное расщепление, когда от АТФ отщепляется ортофосфат: АТФ + Н2О АДФ + Ф (Н3РО4) Такой способ освобождения энергии из АТФ наблюдается при мышечном сокращении, при фосфорилировании глюкозы, фруктозо-6-фосфата и др. Второй путь высвобождения энергии из АТФ - пирофосфатное расщепление - идет по схеме: АТФ + Н2О АМФ + 2Ф (Н4Р2О7) В этом случае АТФ распадается на АМФ и пирофосфат. Затем пирофосфат расщепляется на 2 остатка фосфорной кислоты с высвобождением энергии. Пирофосфатное расщепление наблюдается в реакциях активации субстрата, например, активации жирных кислот и аминокислот. Образовавшийся при пирофосфатном расщеплении АМФ может превратиться в АТФ по схеме: АМФ + АТФ2 АДФ 2 АДФ + 2 Н3РO42 АТФ. Образование и использование АТФ в клетке происходит очень быстро. В организме человека за 1 сутки образуется и распадается 190 кг АТФ. При интенсивной работе еще больше. Однако всего в теле человека не более 50 г АТФ. Фосфагены При благоприятных условиях в клетке может создаваться запас энергии. Вещества, способные депонировать энергию в фосфатной связи, называются фосфагенами. Простейшее из них - полиметафосфат (волютин) - обнаруживается в виде хорошо растворимых гранул в клетках микроорганизмов.   Креатинфосфат У позвоночных животных таким соединением является креатинфосфат, а у беспозвоночных - аргининфосфат. Эти соединения аккумулируют энергию. Образуются они из АТФ и креатина или аргинина соответственно. В условиях дефицита АТФ фосфагены отдают макроэргический фосфат на АДФ. ^ Цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса и "метаболический котел" - это все синонимы одного процесса. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) - последовательность реакций, занимающих центральное место в метаболизме клетки. В метаболическом котле окисляются соединения, образующиеся из липидов, углеводов и белков. Благодаря обратимым реакциям в ЦТК образуются соединения, которые используются в синтезе липидов, углеводов и белков. Большинство ферментов ЦТК локализуется в матриксе митохондрий. ^ Цикл трикарбоновых кислот включает 9 реакций (рис.3).  1. Синтез лимонной кислоты. Щавелево-уксусная кислота (оксалоацетат) конденсируется с поступающей в цикл активной уксусной кислотой - ацетил-КоА. Необходимая для синтеза энергия поставляется за счет разрыва тиоэфирной связи в ацетил-КоА. Катализируется реакция цитратсинтазой. 2 и 3. Изомеризация лимонной кислоты в изолимонную. Обе реакции катализируются одним ферментом - аконитазой. 4. Окисление и декарбоксилирование изоцитрата. Катализируется комплексом ферментов, среди которых - НАД-зависимая дегидрогеназа. В результате образуется α-кетоглутарат. При этом НАД восстанавливается до НАДН2. Шестиуглеродная изолимонная кислота теряет один атом углерода в виде СО2. 5. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата осуществляется сложным комплексом ферментов, включающим дегидрогеназы. Конечными продуктами здесь являются сукцинил-КоА и СО2. Таким образом, теряется еще один атом углерода и образуется четырёхуглеродная кислота. На этом этапе также высвобождается энергия в виде восстановленного НАДН2.
Суммарная реакция ЦТК выглядит следующим образом: Ацетил-коА+2 Н2O + 3 НАД + ГДФ + Н3РO4 + ФАД 2 СO2 + HS-кoA + 3 НАДН2 + ГТФ + ФАДН2 Таким образом, результатом всех реакций ЦТК является окисление одной молекулы двууглеродной уксусной кислоты до двух молекул СO2 с высвобождением энергии. Энергетика ЦТК. Окисление трех молекул НАДН2 в дыхательной цепи сопровождается образованием девяти молекул АТФ. Окисление там же одной молекулы ФАДН2 приводит к образованию двух молекул АТФ. Энергетическая ценность ГТФ идентична АТФ. В результате окисления одной молекулы CH3-CO-S-кoA в ЦТК образуется энергия, эквивалентная 12 молекулам АТФ. В ЦТК имеется два регуляторных фермента: цитратсинтаза (1-ая реакция) и изоцитратдегидрогеназа (2-ая реакция). Оба фермента ингибируются АТФ и НАДН2, изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и НАД, а цитратсинтаэа активируется своим субстратом - щавелево-уксусной кислотой. Все реакции цикла трикарбоновых кислот, за исключением окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата, обратимы. Следствием этого является то, что ЦТК "работает" не только в процессе катаболизма, но и в анаболизме. Так щавелево-ук-сусная кислота после аминирования становится аспарагиновой кислотой, сукцинил-коА служит предшественником в синтезе гема, α-кетоглутарат после аминирования превращается в глутаминовую кислоту. ^ 1. Ацетил-КоА - основное "топливо" метаболического котла - образуется при окислении жирных кислот, глицерола, углеводов и при окислении большинства аминокислот. Из пирувата путём декарбоксилирования. 2. Другим компонентом, необходимым для запуска ЦТК, является щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат). Она образуется из пирувата путем его карбоксилирования: СН3^ 2 + АТФ НOОС-СO-СН2-СOOН + АДФ + Н2РO4 Пируват Оксалоацетат Также пируват образуется в результате переаминирования или дезаминирования аминокислот (аспарагиновой кислоты) и ряда других реакций. Исходя из выше изложенного, запустить все реакции ЦТК может одна пировиноградная кислота, поскольку из неё образуется и щавелевоуксусная кислота, и ацетил-КоА. Реакции, ведущие к образованию пирувата, следует также считать восполняющими ЦТК. Это гликолиз, превращение ряда аминокислот в пируват и др. 3. Восполняющими реакциями являются также биохимические процессы, ведущиек образованию других субстратов ЦТК: α-кетоглутарата, сукцинил-коА и фумарата, которые образуются при катаболизме аминокислот. Цикла трикарбоновых кислот является универсальным механизмом окисления ацетил-коА и других веществ, образующихся из липидов, углеводов и белков. В ЦТК выделяется большое количество энергии. Благодаря амфиболическим реакциям, в нём образуются соединения, необходимые для синтеза белков, углеводов и липидов. ^ Глиоксилатный цикл - это несколько изменённый ЦТК, свойственный растениям и микроорганизмам. Он протекает в том случае, когда ацетил-КоА используется не только как энергетический, но и как пластический материал. Первые и заключительные реакции у ЦТК и глиоксилатного пути общие. Но при глиоксилатном цикле образовавшийся изоцитрат выводится из митохондрий и поступает в микротельца - глиоксиомы, в которых протекают две реакции: 1) расщепление изоцитрата на глиоксилевую кислоту и сукцинат. Образовавшийся сукцинат в дальнейших реакциях цикла участия не принимает. 2) конденсация глиоксилевой кислоты и ацетил-коА с образованием малата. Малат вновь поступает в митохондрии и окисляется, как в ЦТК, в щавелево-уксусную кислоту. Таким образом, в реакциях глиоксилатного цикла из двух молекул ацетил-коА образуется одна четырёхуглеродная молекула янтарной кислоты. При этом на две молекулы ацетил-КоА образуется всего одна НАДН2. То есть глиоксилатный цикл не столько катаболический процесс, сколько анаболический, так как в его последовательных реакциях из ацетил-КоА образуется более сложное соединение - янтарная кислота. ^ Биологическое окисление - это совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых организмах. Есть два способа окисления веществ в клетке. Первый начинается с отщепления с помощью НАД- или ФАД-зависимых дегидрогеназ электронов и протонов от субстрата. В дальнейшем протоны связываются кислородом. Этот способ позволяет аккумулировать высвобождающуюся в процессе окисления энергию в виде АТФ. Он преобладает в клетке. Второй способ - присоединение кислорода к субстрату, он катализируется оксигеназами. В этом случае энергия высвобождается в виде тепла. Заключительным этапом в первом способе окисления является дыхательная цепь. ^ (электрон-транспортная цепь дыхания, ЭТЦ) - система связанных белков и переносчиков электронов и протонов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАДН2 и ФАДН2. Энергия запасается в форме разности потенциалов протонов на мембране за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Высвобожденная энергия идёт на синтез макроэргических связей АТФ. Конечным акцептором электронов и протонов при аэробном дыхании является кислород. Локализуется дыхательная цепь на внутренней мембране митохондрий.  ^ Ферменты и вещества дыхательной цепи Все ферменты дыхательной цепи относятся к оксидоредуктазам и являются сложными белками. Пиридинзависимые дегидрогеназы в качестве простетической группы содержат НАД. Эти ферменты осуществляют перенос электронов и протонов (водорода) от субстрата. Флавинзазисимые дегидрогеназы в качестве кофермента содержат ФАД или ФМН. К флавинзависимым дегидрогеназам относятся сукцинатдегидрогеназа. Убихинон (кофермент Q) - небелковый переносчик электронов и протонов. Структура убихинона включает хинон и изопреноидную цепь. Присоединяя два водорода, хинон превращается в гидрохинон. Цитохромы - переносчики электронов, по строению это гемопротеины. Цитохромы b и с имеют небольшие различия в строении радикалов гема. Цитохромы переносят электроны, которые присоединяются к железу гема. Железо при этом меняет валентность Fe3+ Fe2+. Каждый цитохром переносит один электрон. Протоны цитохромами не транспортируются. Цитохромоксидаза (Сu2+) - единственный фермент в цитохромной системе, способный отдавать электроны на кислород. Железосерные белки обнаружены в составе мембран митохондрий. Железо в железосерных белках (FeS-комплексов) удерживается с помощью серы (SH-групп) аминокислоты цистеина. Эти белки участвуют в окислительно-восстановительных процессах и являются компонентами дыхательной цепи. Наиболее известный белок из этого семейства, называется ферредоксином. ^ Перенос электронов и протонов по ЭТЦ начинается с окисления НАДН2 или ФАДН2 дегидрогеназами (рис. 4). НАДН2 окисляется НАДН2 дегидрогеназой (комплекс I), которая отбирает у него два электрона и протона и переносит их на растворимый в липидах убихинон. Во время этого процесса комплекс I перекачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. ФАДН2 окисляется сукцинатдегидрогеназой (комплекс II). При этом процессе протоны не перекачиваются через мембрану, но убихинон получает дополнительные электроны и протоны. Восстановленный убихинон (гидрохинон) отдаёт электроны на цитохромный комплекс (комплекс III), а он в свою очередь переносит электроны на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. При этом процессе также переносятся протоны убихинона, которые перекачиваются комплексом. Конечным акцептором электронов в дыхательной цепи является кислород. Передачу электронов на кислород осуществляет цитохромоксидаза (комплекс). При этом комплексом IV перекачиваются протоны в межмембранное пространство. Цитохромоксидаза отдаёт электроны на кислород и активирует его. В заключение активированный кислород с двумя протонами образует воду. В итоге при переносе электронов и протонов в ЭТЦ образуется протонный потенциал на внутренней мембране митохондрий. В рассмотренной дыхательной цепи конечным акцептором электронов и протонов является кислород. У некоторых микроорганизмов конечным акцептором протонов и электронов выступает нитрат, который восстанавливается до азота или даже до аммиака. Дыхательная цепь в анаэробном "нитратном" дыхании отличается от цепи аэробного (кислородного) дыхания только последним ферментом. Вместо цитохромоксидазы последним ферментом цепи в этом типе дыхания является нитратоксидаза. У некоторых микроорганизмов обнаружено "сульфатное " дыхание, в котором сульфат восстанавливается до серы или до сероводорода. ^ Общепризнаной теорией синтеза АТФ в ЭТЦ является теория хемиоосмотического сопряжения, выдвинутая П. Митчелом. Сущность ее следующая: процесс окислительного фосфорилирования осуществляется пятым комплексом дыхательной цепи митохондрий — протонной АТФ-синтазой. В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи образуется градиент ионов водорода по разные стороны внутренней мембраны митохондрий. Возникший градиент концентрации заставляет протоны проходить через АТФ-синтазу на ту сторону мембраны, где концентрация протонов ниже. На АТФ-синтазе удерживаются АДФ и Фн. Проход протонов через АТФ-синтазу приводит к её конформационным изменениям и соответственно взаимодействию АДФ и Фн. Реакция синтеза такова: АДФ + Фн → АТФ + H2O Это наиболее распространенный способ окисления субстрата в клетках, осуществляемый путем дегидрирования. Эффективность этого способа характеризуется высоким коэффициентом полезного действия. Примерно 40% энергии, заключенной в химической связи окисляемых веществ, концентрируется в макроэргических связях АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Оксигеназы Второй способ окисления веществ - присоединение кислорода к субстрату. Такое окисление имеет место в микросомах и катализируется оксигеназами. В процессе окисления к субстрату может присоединяться атом кислорода, и образуется гидроксильная группа. Ферменты, осуществляющие эти реакции, называются монооксигеназами. В других случаях к субстрату присоединяется молекула кислорода. Ферменты, катализирующие присоединение молекулы кислорода, называются диоксигеназами. Оксигеназы - сложные ферменты, содержащие гем, рибофлавин или негеминовое железо. Такое окисление не сопровождается синтезом АТФ. Это редкий способ окисления, не более 10% кислорода, поступающего в организм, используется оксигеназами. 90% кислорода восстанавливается с участием цитохромоксидазы, т.е. в дыхательной цепи. Оксигеназы участвуют при генерации тепла, для обезвреживания токсических веществ. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям