Въведение в метаболизма (биохимия). Общи принципи на регулиране на метаболитните пътища Какво ще ускори метаболизма

Глава 5.

Елементи на химичната термодинамика

1. Организация на химичните реакции. Енергийни цикли

2. Основи на термодинамиката

3. Закони на термодинамиката

4. Въведение в метаболизма Принципи на организация на метаболизма. Понятие за процеса на катаболизъм и анаболизъм.

5. Йерархия на метаболитната регулация

6. Енергиен метаболизъм. Какво е биоенергия?

7. Протонен потенциал.

8. Структурни особености на АТФ. Ролята на макроергите в метаболизма.

9. Идея за биологичното окисление, неговата роля и видове, ензими и коензими на този процес Реакции на синтез на АТФ. Окисляване на енергийни субстрати Преносители на електрони и протони. Генериране на протонен потенциал Коефициент на окислително фосфорилиране. Механизми на неговото регулиране.

10. Начини за оползотворяване на кислорода.

11. Синтез на АТФ.

12. Общи метаболитни пътища. Цикълът на трикарбоксилната киселина е неговата амфиболна същност Енергиен метаболизъм. Протонен потенциал.

Биологично важни високоенергийни съединения. Понятие за биологично окисление. Ролята на биологичното окисление.

13. Окислително-редукционни реакции. Пътища за използване на кислорода: оксидаза и оксигеназа.

14. Синтез на АТФ. Синтез на АТФ чрез субстратно и окислително фосфорилиране.

Генериране на протонен потенциал. Синтез на АТФ поради протонен потенциал.

15. Ситуационни задачи, теоретични задачи и лабораторни упражнения по темата “Биохимична термодинамика”.

16. Енергиен метаболизъм и общ път на катаболизма.

Биохимична термодинамика– клон на биохимията, който се занимава с изучаването на енергийните трансформации, съпътстващи биохимичните реакции. Основните му принципи помагат да се обясни защо някои реакции възникват, а други не. Небиологичните системи могат да извършват работа, използвайки топлинна енергия, докато биологичните системи работят в изотермичен режим и използват химическа енергия за извършване на жизнени процеси.

Жизнената дейност на организма се определя от особеностите на организацията на биологичните структури, метаболизма и енергията, трансфера на генетична информация и регулаторните механизми.

Увреждането на някоя от тези връзки води до развитие на патологичен процес и заболяване. Познаването на молекулярните механизми на живота и техните нарушения е в основата на търсенето и клиничната употреба на лекарства от различно биологично естество.

Организация на химичните реакции.

Веригите от химични реакции образуват метаболитни пътища или цикли, всеки от които изпълнява специфична функция. Обичайно е да се прави разлика между централни и специални метаболитни пътища. Централните цикли са общи за разграждането и синтеза на основните макромолекули. Те са много сходни във всички представители на живия свят. Специални цикли са характерни за синтеза и разлагането на отделни мономери, макромолекули, кофактори и др.

Енергийни цикли.

Поради разнообразието от форми на хранене и потребление на енергия, живите организми в природата са тясно свързани помежду си. Връзката в храненето и използването на енергийните източници може да бъде представена под формата на уникални енергийни цикли на живата природа.

Основните компоненти на този цикъл:

Слънцето е източник на извънземна енергия,

Автотрофи, които улавят слънчевата енергия и синтезират въглехидрати и други органични вещества от CO 2

Хетеротрофи - животински организми, които консумират органична материя и кислород, произведени от растенията

Фототрофите са растения, които произвеждат кислород чрез фотосинтеза.

Загубите на енергия, свързани с жизнената дейност на всички организми на Земята, се компенсират от енергията на Слънцето. Трябва да се подчертае, че животинските и човешките клетки използват силно редуцирани вещества (въглехидрати, липиди, протеини) като енергиен материал, т.е. съдържащи водород. Водородът е енергийно ценно вещество. Неговата енергия се преобразува в енергията на химичните връзки на АТФ.

Метаболизмът на веществата и енергията е в основата на живота на организмите и е една от най-важните специфични характеристики на живата материя, отличаваща живата от неживата. Най-сложната регулация на метаболизма на различни нива се осигурява от работата на много ензимни системи, това е саморегулацията на химичните трансформации.

Ензимиса високоспециализирани протеини, които се синтезират в клетката от прости градивни елементи – аминокиселини. Метаболизмът се осъществява с участието на няколкостотин различни видове ензими. Ензимно-катализираните реакции осигуряват 100% добив без образуване на странични продукти. Всеки ензим ускорява само определена верига от реакции на дадено съединение, без да засяга други реакции с негово (съединение) участие. Следователно много реакции могат да протичат в клетката без опасност от замърсяване на клетката със странични продукти. Стотици реакции в клетките с участието на ензими са организирани под формата на последователни реакции - стационарен поток.

По време на химичните трансформации се извършва преструктуриране на електронните обвивки на взаимодействащи атоми, молекули и йони и възниква преразпределение на силите на химичната връзка, което води до освобождаване на енергия (ако резултатът от взаимодействието е укрепване на връзките между атомите, йоните и молекули), или до абсорбция (ако тези връзки станат по-слаби). Следователно всички химични реакции се характеризират не само с дълбоки качествени изменения и строго определени стехиометрични зависимости между количествата на изходните вещества и тези, образувани в резултат на реакцията, но и с добре изразени енергийни ефекти.

Закони на термодинамиката

Първи закон на термодинамиката.

Концепцията за процесите на катаболизъм и анаболизъм.

Съвкупността от химични трансформации на веществата, които се случват в организма, започвайки от момента на навлизането им в кръвта и до освобождаването на крайните продукти от метаболизма от тялото, се нарича междинен метаболизъм(междинен обмен). Междинният метаболизъм може да се раздели на два процеса - катаболизъм (дисимилация) и анаболизъм (асимилация).

Катаболизъмнаречено ензимно разграждане на относително големи органични молекули, обикновено във висши организми, по окислителен път. Катаболизмът се придружава от освобождаване на енергия, съдържаща се в сложните структури на органични молекули и нейното съхранение под формата на енергия от фосфатни връзки на АТФ (екзергоничен процес, с освобождаване на енергия на Гибс и съхранение под формата на АТФ).

Анаболизъме ензимният синтез на големи молекулни клетъчни компоненти, като полизахариди, нуклеинови киселини, протеини, липиди, които се характеризират със значителна енергия на Гибс и ниска ентропия, както и синтезът на някои биосинтетични прекурсори на по-прости съединения, с по-силни връзки (ниска Енергийни стойности на Гибс и високи стойности на ентропия - CO 2, NH 3, урея, креатинин).

Анаболните процеси протичат в клетките едновременно и са неразривно свързани помежду си. По същество те трябва да се разглеждат не като два отделни процеса, а като две страни на един общ процес - метаболизъм, при който трансформацията на веществата е тясно преплетена с трансформацията на енергия.

Катаболизъм.

Разграждането на основните хранителни вещества в клетката е поредица от последователни ензимни реакции, които изграждат 3-те основни етапа на катаболизма (Ханс Кребс) - дисимилация.

Етап 1– големите органични молекули се разпадат на съставните им специфични структурни блокове. Така полизахаридите се разграждат на хексози или пентози, протеините на аминокиселини, нуклеиновите киселини на нуклеотиди и нуклеозиди, липидите на мастни киселини, глицериди и други вещества.

Количеството освободена енергия на този етап е малко – под 1%.

Етап 2– образуват се още по-прости молекули, като броят на видовете им значително намалява. Важно е да се подчертае, че тук се образуват продукти, които са общи за метаболизма на различни вещества - това са като че ли възли, свързващи различни метаболитни пътища. Те включват: пируват - образува се при разграждането на въглехидрати, липиди, аминокиселини; ацетил-КоА - съчетава катаболизма на мастни киселини, въглехидрати, аминокиселини.

Влизат продукти, получени на 2-ри етап на катаболизма 3-ти етап, който е известен като цикъл на Кребс - цикълът на трикарбоксилната киселина (TCA), в който протичат крайни окислителни процеси. По време на този етап всички продукти се окисляват до CO 2 и H 2 O. Почти цялата енергия се освобождава във 2-ри и 3-ти етап на катаболизма.

Всички горепосочени етапи на катаболизъм или дисимилация, които са известни като "схемата на Кребс", най-точно отразяват най-важните принципи на метаболизма: конвергенция и обединение. Конвергенция– съчетаването на различни метаболитни процеси, характерни за отделните видове вещества, в единични, общи за всички видове. Следващ етап - обединение– постепенно намаляване на броя на участниците в метаболитните процеси и използването на универсални метаболитни продукти в метаболитните реакции.

На първия етап принципът на обединение е ясно видим: вместо много сложни молекули с много различен произход се образуват доста прости съединения в количество от 2-3 дузини. Тези реакции се появяват в стомашно-чревния тракт и не са придружени от освобождаване на големи количества енергия. Обикновено се разсейва като топлина и не се използва за други цели. Значението на химичните реакции на първия етап е да подготвят хранителните вещества за действителното освобождаване на енергия.

На втория етап принципът на конвергенция е ясно видим: сливането на различни метаболитни пътища в един канал - т.е. в третия етап.

На втория етап се освобождава около 30% от енергията, съдържаща се в хранителните вещества. Останалите 60-70% от енергията се освобождават в цикъла на трикарбоксилната киселина и свързания с него краен процес на окисление. В крайната окислителна система или дихателната верига, която се основава на окислително фосфорилиране, обединението достига своя връх. Дехидрогеназите, които катализират окисляването на органични вещества в TCA цикъла, пренасят само водород към дихателната верига, която претърпява идентични трансформации по време на процеса на окислително фосфорилиране.

Анаболизъм.

Анаболизмът също преминава през три етапа. Изходните вещества са тези, които претърпяват трансформации на 3-тия етап на катаболизма. По този начин, етап 3 на катаболизма е началният етап на анаболизма. Реакциите на този етап имат двойна функция – амфиболна. Например, протеинов синтез от аминокиселини.

Етап 2 – образуване на аминокиселини от кетокиселини в реакции на трансаминиране.

Етап 3 – комбиниране на аминокиселини в полипептидни вериги.

Също така в резултат на последователни реакции възниква синтез на нуклеинови киселини, липиди и полизахариди.

През 60-70-те години на 20 век става ясно, че анаболизмът не е просто обръщане на катаболните реакции. Това се дължи на химичните характеристики на химичните реакции. Редица катаболни реакции са практически необратими. Техният поток в обратната посока е възпрепятстван от непреодолими енергийни бариери. В хода на еволюцията са разработени байпасни реакции, които включват изразходване на енергия от високоенергийни съединения. Катаболните и анаболните пътища се различават като правило по своята локализация в клетката - структурна регулация.

Например: окислението на мастни киселини се случва в митохондриите, докато синтезът на мастни киселини се катализира от набор от ензими, локализирани в цитозола.

Поради различната локализация катаболните и анаболните процеси в клетката могат да протичат едновременно.

Принципи на метаболитната интеграция

По този начин метаболитните пътища са разнообразни, но в това разнообразие се крие единство, което е специфична особеност на метаболизма.

Това единство се крие във факта, че от бактериите до високо организираната тъкан на висш организъм биохимичните реакции са идентични. Друго проявление на единството е цикличността на най-важните метаболитни процеси. Например цикъл на трикарбоксилна киселина, цикъл на урея, цикъл на пентоза. Очевидно цикличните реакции, избрани по време на еволюцията, се оказаха оптимални за осигуряване на физиологични функции.

Когато се анализира организацията на метаболитните процеси в организма, естествено възниква въпросът: как се постига поддържането на процесите в съответствие с нуждите на тялото в различните периоди от неговия живот? Тези. Как се поддържа „хомеостазата“ (концепция, формулирана за първи път от Кенън през 1929 г.) в контекста на постоянно променящи се житейски ситуации, т.е. - при промяна на вътрешната и външната среда. Вече беше споменато по-горе, че регулирането на метаболизма в крайна сметка се свежда до промяна на активността на ензимите. В същото време можем да говорим за йерархия на метаболитната регулация.

Енергиен метаболизъм

Биоенергия –е наука, която изучава енергийното снабдяване на живите същества, с други думи, превръщането на енергията на външните ресурси в биологично полезна работа. Първият етап от преобразуването на енергия е енергизирането на мембраната - това е генерирането трансмембранна разлика в електрохимичния потенциал на водородните йони или протонния потенциал (ΔμH +) и трансмембранна разлика в електрохимичния потенциал на натрия или натриевия потенциал (ΔμNa +).

Глава 6.

Понятие за биологично окисление

Биологичното окисление е съвкупността от всички редокс реакции, протичащи в живите организми.

Начини за използване на кислород

Кислородът е силен окислител. Редокс потенциалът на двойката кислород/вода е +0,82 V. Кислородът има висок афинитет към електроните. Има два начина за използване на кислорода в тялото: оксидаза и оксигеназа.

Окисляване

Оксидазен път Оксигеназен път

пълен непълен

Окисление окисление

краен продукт моноокси-диокси-пероксид

Геназно геназно окисление

H 2 O H 2 O 2 начин начин

R-OH HO-R-OH R-O-O-H

Оксидазен път

Оксидазният път за използване на кислород се основава на реакцията на дехидрогениране, която води до елиминиране на 2 водородни атома (2H↔2H + +2ē) от окисления субстрат с последващото им прехвърляне към кислород.

За пълното редуциране на кислорода до вода са необходими две двойки електрони.

(4ē). В същото време към ½ O 2 се добавят 2 ē.

2ē ½O 2 + 2ē OH -

RH 2 + ½O 2 R + H 2 O OH - + 2H + -- 2 H 2 O

Непълното редуциране на кислорода до водороден пероксид изисква една електронна двойка (2 ē). Добавя се по един електрон.

O 2 + ē O 2 - супероксиден анионен радикал

O 2 + H + HO 2 пероксиден радикал

HO 2 + ē HO 2 - пероксиден йон

HO - 2 + H + H 2 O 2 водороден пероксид

Оксигеназен път

Оксигеназният път за използване на кислород се основава на директното включване на кислород в окисления субстрат, с образуването на съединения с една или повече хидроксилни групи или органични съединения с пероксидна група.

Монооксигенази– ензимни системи, които катализират включването само на един кислороден атом в модифицирания субстрат, а вторият кислороден атом се редуцира до вода в присъствието на NADPH+H + като източник на водород.

RH 2 + O 2 + NADPH + H + → R-OH + NADP + + H 2 O

Диоксигенази– ензимни системи, които катализират включването на два кислородни атома в субстрата.

RH 2 + 2O 2 + NADPH + H + HO-R-OH + NADP +

Общи метаболитни пътища.

Ацетил-КоА е централен метаболит за превръщането на глюкоза, мастни киселини и някои аминокиселини.

ОХ ОХ

TPP – хидроксиетил

На втория етап ацилният остатък се приема от коензим А (KoA-SH) и се образува ацетил-CoA. Транслокацията на ацилния остатък се катализира от втория ензим на комплекса - дихидролипоилтрансацетилаза . Носителят на ацилния остатък е простетичната група на ензима - липоева киселина

(витаминоподобно съединение), което може да бъде в две форми: окислена и редуцирана.

(Възстановена форма)

На третия етап настъпва окисление на редуцираната форма на липоева киселина. Акцепторът на два водородни атома е коензимът NAD +. Окислителната реакция се катализира от трети ензим - дихидролипоил дехидрогеназа,чиято протетична група е FAD.

NADH + H + снабдява дихателната верига с 2H + и 2ē и осигурява синтеза на 3 мола АТФ.

Регулиране на пируват дехидрогеназния комплекс (PDH)

Образуването на ацетил-КоА от пируват е необратима реакция, тъй като ΔG = - 33,5 kJ/mol. Активността на пируват дехидрогеназния комплекс се регулира по различни начини: алостерична регулация и чрез обратимо фосфорилиране (ковалентна модификация). [ATP] / [ADP] и [NAD + ] / [NADH] са най-важните сигнали, отразяващи енергийните нужди на клетката. PDH е активен в своята дефосфорилирана форма. PDH протеин киназата превръща ензима в неактивна фосфорилирана форма, а фосфатазата поддържа PDH в активно дефосфорилирано състояние. Когато клетката е наситена с АТФ (моларното съотношение [АТФ]/[АДФ] се увеличава), протеин киназата се активира, което инхибира PDH.

ATP е отстраненият продукт от реакцията на окислително декарбоксилиране на PVK. В допълнение към АТФ, реакционните продукти активират протеин киназа: ацетил-КоА и NADH. Когато се произвежда излишна енергия, регулаторната система блокира образуването на Acetyl-CoA и в резултат на това намалява скоростта на TCA цикъла и синтеза на ATP.

Фиг.6-1. Регулиране на активността на протеин киназа пируват декарбоксилаза чрез

Цикъл на трикарбоксилната киселина

Този цикъл се нарича още цикъл на Кребс в чест на Ханс Кребс (носител на Нобелова награда за 1953 г.), който определя последователността на тези реакции. Цикълът на трикарбоксилната киселина (TCA) - от една страна, е последният етап от катаболизма на протеини, въглехидрати и липиди, който е придружен от генерирането на редуцирани коензими - универсални енергийни субстрати - FADH 2, NADPH + H +. Редуцираните коензими се използват допълнително от митохондриалната електротранспортна верига за генериране на АТФ от ADP и PhN. От друга страна, междинните продукти на цикъла на ТСА са субстрати за биосинтезата на ендогенни протеинови вещества, въглехидратни и липидни съединения и други съединения.

Катаболитна функция на TCA цикъла.

TCA цикълът е последователност от 8 реакции, в резултат на които ацетил-КоА (активна оцетна киселина) се окислява до две молекули CO 2, т.е. до крайния продукт на метаболизма.

Ацетил-КоА е двувъглеродна ацилова група, характеризираща се с много силна С-С връзка. Директното разцепване на С-С връзката в ацетил-КоА е трудна химическа задача. В природата има много често срещано решение на подобни проблеми - това е циклична трансформация. TCA цикълът започва с реакцията на кондензация на ацетил-CoA с оксалоацетат (OAA) за образуване на цитрат (лимонена киселина) и завършва с образуването на OAA по време на окислението на малат, т.е. цикълът се затваря. Всички ензими на TCA цикъла са локализирани в митохондриалната матрица и са разтворими протеини. Изключение прави сукцинат дехидрогеназата, която е локализирана на повърхността на вътрешната митохондриална мембрана.

Реакция на кондензация.

Ацетил-CoA + OAA + H 2 O → цитрат + KoA-SH

Реакцията се катализира от регулиран ензим - цитрат синтаза Това е необратима енергозависима реакция, тъй като ΔG = - 32,2 kJ/mol. Източникът на енергия в тази реакция е енергията на разкъсване на тиоестерната връзка в молекулата на ацетил-КоА.

Цитратът е трикарбоксилна хидрокси киселина. Хидроксилната група е разположена при третичния атом С. По аналогия с третичните алкохоли цитратът не се окислява.

Реакция на изомеризация.

В резултат на тази реакция хидроксогрупата се премества от 3-та на 2-ра позиция на цитратната въглеродна верига и образуването на изомер на лимонената киселина - изоцитрат. Аконитазата, ензим с абсолютна стереоспецифичност, катализира последователното елиминиране на H2O и след това добавянето му към друга позиция.

Цитрат → аконит → изоцитрат

Изоцитратът е изомер на лимонената киселина, в който ОН групата е разположена при вторичния въглероден атом. По аналогия с вторичните алкохоли, изоцитратът може да претърпи окисление до образуване на кето киселина.

Окислителна реакция.

Сукцинат фумарат

FAD FADN 2

Реакцията се катализира от FAD-зависима сукцинат дехидрогеназа.Ензимът има абсолютна стереоспецифичност. Реакционният продукт е фумарат (транс изомер). Редуцираният коензим FADH 2 доставя на дихателната верига 2H + и 2ē за генериране на АТФ

Реакция на хидратация

Фумарат +H 2 O → малат

Добавянето на вода към фумарат се катализира от фумараза (традиционното наименование на ензима). Реакционният продукт е хидрокси киселина - малат (ябълчена киселина).

Окислителна реакция.

Малат OAA

NAD + NADH + H +

Реакцията се катализира от NAD + - зависима малат дехидрогеназа.

ОАА се включва в реакцията на кондензация с нова ацетил-КоА молекула, т.е. Централната отоплителна система се затваря. Редуцираният коензим NADH+H + снабдява дихателната верига с 2H + и 2ē и участва в процеса на окислително фосфорилиране.

Стехиометрия на TTC.

CH 3 -CO-S-KoA + 2H 2 O + ZNAD + + FAD + GDP + H 3 PO 4 → 2CO 2 + 3NADH + ZN + + FADH 2 , +GTP + KoA-SH, ΔG=-40.0 kJ/mol

По този начин, в резултат на едно завъртане на цикъла, KoA-SH се отцепва от ацетил-CoA и ацетилният остатък се разцепва до 2 молекули CO2. Този метаболитен процес е придружен от:

Образуването на 4 редуцирани коензима: 3 молекули NADH + H + и 1 молекула FADH 2;

GTP + ADP→GDP +ATP

Енергиен ефект на ТСА.

Поради окислителното фосфорилиране:

3NADH + H + → (6H + и 6ē) CPE → 3 x TATP = 9 ATP

FADN 2 → 2Н + и 2ē → CPE → 2ATP.

Поради субстратно фосфорилиране - 1 ATP

Обща сума:по време на окисляването на 1 молекула ацетил-КоА, при условие че реакциите на окисление са съчетани с окислително фосфорилиране, се генерират 12 молекули АТФ.

Анаболна функция на TCA цикъла.

CTKслужи като източник на междинни продукти (междинни метаболити), които са субстрати за много биосинтетични реакции.

1. Сукцинил-КоАе субстрат за биосинтеза на порфирини . Въвеждането на железен катион в порфирина води до образуването на хемопротетична група от хемопротеини (хемоглобин, миоглобин, каталаза, цитохроми и др.).

2. Цитратможе с помощта на протеини-носители да се транспортира от митохондриалната матрица до цитоплазмата, където под действието на ензима цитрат лиазаразцепен, за да образува цитозолен ацетил-КоА - субстрат за синтеза на холестерол, IVH.

Цитрат + ATP + CoA → OAA + Acetyl-CoA + ADP + H 3 PO 4.

Z. OAA- чрез малат-аспартатния совалков механизъм се транспортира от митохондриалната матрица до цитоплазмата, където се превръща в аспартат в реакцията на трансаминиране. , от своя страна, могат да се трансформират в други аминокиселини и да участват в биосинтезата на протеини. Аспартатът също се използва в синтеза на азотни основи и по този начин участва в синтеза на нуклеотиди и нуклеинови киселини. OAA (оксал ацетат) в цитоплазмата може да претърпи декарбоксилиране под действието на фосфоенолпируват карбоксикиназа в присъствието на GTP с образуването на PEP, междинен метаболит, участващ в синтеза на глюкоза (глюконеогенеза).

4. α-кетоглутаратнавлиза в цитоплазмата, където се превръща в глутамин, пролин, хистидин, аргинин, които по-нататък се включват в синтеза на протеини и други биологично важни съединения. По този начин, TCA цикълът е амфиболен цикъл.

Протонен потенциал.

Трансмембранната разлика в електрохимичния потенциал на водородния йон, ΔμH + или протонния потенциал, заема централно място в системата от процеси на енергийна трансформация, протичащи във вътрешната мембрана на митохондриите. Благодарение на енергията на външните ресурси, протоните се транспортират през биологичната мембрана срещу силите на електрическото поле в посока на по-голяма концентрация, което води до генериране на електрохимична потенциална разлика. ΔμH + се състои от 2 компонента: електрическипод формата на трансмембранен градиент на електрически потенциали (Δφ) и химически,под формата на трансмембранна концентрация на водородни йони (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Потенциалната енергия, натрупана под формата на Δφ и ΔрН, може да се използва по полезен начин, по-специално при синтеза на АТФ.

Ролята на АТФ в метаболизма

В биологичните системи АТФ непрекъснато се произвежда и постоянно се консумира. Оборотът на ATP е много висок. Например, човек в покой използва около 40 кг АТФ на ден. Енергоемките процеси могат да се извършват при условие на постоянно регенериране на АТФ от АДФ. По този начин цикълът ATP-ADP е основният механизъм на енергиен обмен в биологичните системи.

Синтез на АТФ

Реакцията на синтез на АТФ е реакцията на фосфорилиране на АДФ от неорганичен фосфат (Фигура 6-1).

ADP + H 3 PO 4 → ATP + H 2 O .

Това е ендергонична реакция, която възниква само когато свободната енергия се доставя отвън, тъй като ΔG = + 30,5 kJ/mol

(+ 7,3 kcal/mol). Следователно, синтезът на АТФ може да се случи само при условие на енергийно свързване с екзергонични реакции. В зависимост от източника на свободна енергия има два начина за синтез на АТФ: субстратно фосфорилиране и окислително фосфорилиране.

КОН КОН

ΔG= - 61,9 kJ/mol (- 14,8 kcal/mol).

Чрез директно прехвърляне на богатия на енергия остатък от фосфорна киселина от тези високоенергийни съединения към ADP, се синтезира АТФ.

ΣPEP +ADP→PVK +ATP

Високоенергийните съединения също включват съединения с тиоетерни връзки. Например, сукцинил~S-KoA. При разкъсване на тиоетерната връзка се освобождава енергия, която се използва за синтеза на GTP (БВП + H 3 PO 4 → GTP + H 2 O). Сукцинил~S-KoA + GDP +H 3 PO 4 → Сукцинат + GTP + HS~CoA, ΔG=-35,5 kJ/mol.

Видове вектори

FMN + 2H + + 2ē ↔ FMNN 2

Желязно-серни центрове

Това са протеинови нехем желязосъдържащи носители на електрони. Има няколко типа желязо-серни центрове: Fe-S, Fe 2 -S 2, Fe 4 -S 4. Желязните атоми на комплексите могат да даряват и приемат електрони, последователно се превръщайки във феро-(Fe 2+) - и фери-(Fe 3+) - състояние. Всички желязо-сярни центрове даряват електрони на убихинон.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, коензим-Q(KoQ)е единственият небелтъчен електронен носител.

CoQ (хинон) CoQ (семихинон) CoQH 2 (хидрохинон)

При редукция убихинонът придобива не само електрони, но и протони. При редукция с един електрон се превръща в семихинон, органичен свободен радикал. Ео =+0,01

Цитохроми– протеинови носители на електрони, съдържащи хем желязо като простетична група. Функционирането на цитохромите се основава на промяна в степента на окисление на железния атом Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+. Различните цитохроми се обозначават с буквени индекси: b, c 1, c, a, a 3.Цитохромите се различават по структурата на протеиновата част и страничните вериги на хема и следователно имат различни стойности на редокс потенциалите (окислително-редукционни потенциали). Цитохром "b" E o= +0,08, "c i" E o = +0,22, "c" E o = +0,25,« аа з» Е о = +0,29.Отличителна черта цитохром с е, че е хлабаво свързан с външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана и лесно я напуска.

Всички тези електронни носители могат да бъдат групирани в четири ензимни комплекса, структурирани във вътрешната мембрана на митохондриите, представляващи ензимен ансамбъл, наречен „респираторни ензими“, „цитохромна система“, „CPE“ (електронно транспортна верига).

Комплекс I – NADH дехидрогеназа (NADH-CoQ редуктаза). Протетични групи - FMN, FeS. Акцептор на електрони – KoQ.

Комплекс III – CoQH 2 дехидрогеназа (KoQH 2-цит.с-редуктаза).Протезни групи: FeS, цитохроми b 1, b 2, c 1.Електрон акцептор – цитохром - p.

Комплекс IV – цитохромоксидаза.Протезни групи: цитохроми aa3, Cu 2+.Електрон акцептор – кислород.

Комплекс II – сукцинат дехидрогеназа (сукцинат-CoQ редуктаза).Протезни групи FAD, FeS. Акцептор на електрони – KoQ.

Електроните се транспортират между комплексите с помощта на мобилни носители - убихинонИ цитохром-с.

Редокс носителите в CPE са подредени в ред на нарастване на стандартните окислителни потенциали, което осигурява спонтанния транспорт на два електрона по дихателната верига от NADH + H + до кислорода, крайния акцептор на електрони. Прехвърлянето на два електрона по CPE е полезна работа и е придружено от поетапно освобождаване на свободна енергия на Гибс (ΔG), която се използва допълнително в синтеза на АТФ. Поетапното освобождаване на енергия води на факта, че електроните, които редуцират кислорода, са на по-ниско енергийно ниво в сравнение с електроните, открити в редуцирания NADH +H + в началото на веригата.

З. Генериране на протонен потенциал ΔμН +

Как транспортът на електрони по дихателната верига е свързан с трансформацията на освободената електрическа енергия в енергията на химичните връзки на АТФ? На този въпрос през 1961 г. отговаря английският учен Питър Мичъл. Неговата концепция беше, че движещата сила за синтеза на АТФ е електрохимичен потенциал, протонен потенциал – ΔμH + . ΔμH +. = Δ pH+ Δ φ

pH е протонният градиент, Δφ е разликата в електрическия потенциал. През 1978г

П. Мичъл получава Нобелова награда и хемиосмотичната теория става общоприета.

Според теорията на П. Мичъл, енергията, освобождавана постепенно по време на транспортирането на електрони по дихателната верига, се използва за изпомпване на протони от митохондриалната матрица в междумембранното пространство. Транспортът на 2Н+ от митохондриалния матрикс в интермембранното пространство създава градиент на концентрация на протони - ΔрН и води до появата на отрицателен заряд на повърхността на мембраната от матрикса и положителен заряд от интермембранното пространство, което създава електрическа потенциална разлика - Δφ. Източникът на протони в митохондриалната матрица е NADH + H +, FADH 2, вода. Способността за генериране на протонен потенциал се осигурява от:

1) непропускливостта на вътрешната митохондриална мембрана за йони като цяло и по-специално за протони.

2) отделен транспорт на протони и електрони по дихателната верига. Това се осигурява от наличието на 2 вида носители: само за електрони и едновременно за електрони и протони.

4. Синтез на АТФ благодарение на протонния потенциал

Метаболизъм и енергия - съвкупност от процеси на трансформация на вещества и енергия в живите организми и обмен на вещества и енергия между тялото и околната среда. Метаболизмът включва 3 етапа - приемане на вещества в тялото, метаболизъм или междинен метаболизъм и освобождаване на крайни метаболитни продукти.

Основните функции на метаболизма са извличането на енергия от околната среда (под формата на химическа енергия на органични вещества), превръщането на екзогенни вещества в градивни елементи, сглобяването на протеини, нуклеинови киселини, мазнини от градивни елементи, синтез и унищожаване на онези биомолекули, които са необходими за изпълнението на различни специфични функции на тези клетки.

Има две страни на метаболизма - анаболизъм и катаболизъм

Катаболизмът е ензимно разграждане на високомолекулни съединения до техните съставни мономери и по-нататъшно разграждане на мономерите до крайни продукти: въглероден диоксид, амоняк, лактат.

Основните реакции на катаболизма са окислителните реакции, които доставят енергия на клетката. Енергията може да се съхранява в две форми: ATP, NADPH + H - донор на водород в реакции на редукция по време на синтеза на редица съединения.

Анаболизмът е ензимен синтез на основните макромолекули на клетката, както и образуването на биологично активни съединения, изискващи разход на свободна енергия (ATP, NADPH + H).

Разлики между катаболизъм и анаболизъм. Катаболизъм - разграждане, съхранение на АТФ. Анаболизмът е синтез, но консумация на АТФ. Пътищата не са еднакви, броят на реакциите е различен. Те се различават по локализация. Различна генетична и алостерична регулация.

Основният източник на енергия за хората е енергията, съхранявана в химическите връзки на хранителните продукти. Съотношение B:F:U = 1:1:4. Човек получава 55% от енергията от въглехидрати, 15% от протеини, 30% от мазнини (80% идва от животински мазнини и 20% от растителни мазнини).

Ежедневната нужда на човека от енергия е 3000 kcal. Ежедневната нужда на човек от енергия зависи от: работа (при тежка физическа работа основният метаболизъм е по-висок), пол (при жените метаболизмът е с 6-10% по-нисък), температура (с повишаване на телесната температура с един степен, скоростта на метаболизма се увеличава с 13%), възраст (с възрастта, като се започне от 5 години, основната скорост на метаболизма намалява).

На ден в тялото се образуват и разграждат около 60 kg АТФ. Цикълът ATP-ADP работи постоянно. Това включва използването на АТФ за различни видове работа и регенерирането на АТФ чрез катаболни реакции.

Обединяването на хранителните вещества протича в три фази.

I. Подготвителна фаза. Високомолекулните съединения се разпадат под действието на стомашно-чревни хидролази до мономери. Среща се в стомашно-чревния тракт и лизозомите. Не е доставчик на енергия (1%).

Фаза II. Превръщане на мономерите в прости съединения - централни метаболити (PVC, ацетил КоА). Тези продукти свързват 3 вида метаболизъм, до 2-3 s, протичат в цитоплазмата, завършват в митохондриите, осигуряват 20-30% от енергията, доставяна анаеробно.

Фаза III. Цикъл на Кребс. Аеробните условия, пълното окисляване на веществата, доставени с храната, освобождават голямо количество енергия и я натрупват в АТФ.

Анаболните пътища се разминават

1-ва фаза. Синтезът на протеини започва с образуването на α-кето киселини.

Фаза 2. Аминиране на α-кето киселини, получаване на AMK.

Фаза 3. Протеините се образуват от AMK. 2 CO2

Общ път на катаболизъм. След образуването на PVC по-нататъшното разграждане на веществата до въглероден диоксид и вода се извършва по същия начин в общия катаболитен път (CCP). OPC включва реакциите на окислително декарбоксилиране на PVA и TCA цикъла. OPC реакциите протичат в митохондриалната матрица и редуцираните коензими пренасят водород към компонентите на дихателната верига. Катаболитните пътища се събират, сливайки се в цикъла на ТСА в третата фаза.

В първата фаза протеините произвеждат 20 AMK. Във втората фаза 20 AMK произвеждат ацетил КоА и амоняк. В третата фаза TCA произвежда въглероден диоксид, вода и енергия.

Метаболитните пътища са набор от ензимно-катализирани реакции, по време на които даден субстрат се превръща в продукт. Основните (основните) метаболитни пътища са универсални, характерни за всяка клетка. Те доставят енергия, синтез на основните биополимери на клетката. Допълнителните пътища са по-малко универсални и са характерни за определени тъкани и органи. Синтез на важни вещества. Те доставят енергия под формата на NADPH+H.

Цикълът на трикарбоксилните киселини е открит през 1937 г. от Г. Кребс, той протича в цикличен режим в митохондриалната матрица, при всяко завъртане на цикъла на ТСА влиза една ацетилова група и 2 въглеродни атома под формата на ацетил КоА и с всеки оборот 2 молекули въглероден диоксид се отстраняват от цикъла. Оксалоацетатът не се изразходва в цикъла на TCA, тъй като се регенерира.

Цитратна изомеризация - α-кетоглутаратът се окислява до сукцинил CoA и въглероден диоксид.

TCA цикълът е специфичен механизъм за разграждане на ацетилКоА на 2 вида продукти: въглероден диоксид - продукт на пълно окисление, редуцирани нуклеотиди, чието окисление е основният източник на енергия.

Когато една молекула ацетилКоА се окислява в ТСА цикъла и системата за окислително фосфорилиране, се образуват 12 молекули АТФ: 1АТР поради субстратно фосфорилиране, 11АТР поради окислително фосфорилиране. Окислителната енергия се натрупва под формата на редуцирани нуклеотиди и 1ATP. Общото уравнение на цикъла TCA е AcetylCoA + 3NAD + FAD+ ADP+Pn+2H20→ 2CO2+ 3NAD+H + FADH2+ ATP + CoASH

TCA цикълът е централния метаболитен път. Функции на TCC: интегрираща, генерираща енергия, анаболна.

Връзката на метаболизма на нивото на цикъла на Кребс.

Анаболна функция на TCA цикъла. Метаболитите от цикъла на Кребс се използват за синтеза на различни вещества: въглероден диоксид в реакции на карбоксилиране, α-кетоглутарат → glu, оксалоацетат → глюкоза, сукцинат → хем.

TCA цикълът играе роля в процесите на глюконеогенеза, трансаминиране, дезаминиране и липогенеза.

Регулиране на цикъла на ТСА. Регулаторни ензими: цитрат синтаза, изоцитрат DH, α-кетоглутарат DH комплекс.

Положителни алостерични ефектори на цитрат синтазата са PIKE, acetylCoA, NAD, ADP.

Отрицателните алостерични ефектори на цитрат синтазата са АТФ, цитрат, NADH + H, мастни киселини, повишаване на концентрацията на сукцинилКоА над нормата.

Действието на АТФ е да увеличи Km за ацетилКоА. С увеличаване на концентрацията на АТФ, насищането на ензима acetylCoA намалява и в резултат на това образуването на цитрат намалява.

Положителните алостерични ефектори на изоцитрат DH са ADP, NAD.

Отрицателните алостерични ефектори на изоцитрат DH са ATP, NADH + H.

Цикълът на Кребс се регулира чрез обратна връзка: АТФ се инхибира, АДФ се активира. Хипоенергийните състояния са състояния, при които синтезът на АТФ намалява.

Тъканна хипоксия поради: намалена концентрация на кислород във въздуха, нарушение на сърдечно-съдовата и дихателната системи, анемия, хиповитаминоза, гладуване.

Ролята на витамините в цикъла на Кребс - рибофлавин (FAD) - коензим SDH, α-кетоглутарат на DG комплекса, PP (NAD) - коензим MDH, IDH, α-кетоглутарат на DG, тиамин (TPF) - коензим α- кетоглутарат на DG комплекса, пантотенова киселина (CoA): ацетилCoA, сукцинилCoA.

Опция 1

1. Напишете термодинамично уравнение, което отразява връзката между промените в свободната енергия (G) и общата енергия на системата (E). Отговор:

2. Посочете какви два вида енергия може да използва една клетка, за да извършва работа. Отговор : За извършване на работа клетката може да използва или енергията на химичните връзки на макроергите, или енергията на трансмембранните електрохимични градиенти.

3. Посочете количеството свободна енергия, освободена при разкъсване на 1 мол тиоетерни връзки в съединения от типа ацил-КоА при стандартни условия . Отговор : 8,0 kcal/M.

4. Въведете стойността на калориен коефициент за мазнини. Отговор : 9,3 kcal/g.

5. Посочете какво се нарича "основен метаболизъм". Отговор : Нивото на енергийните разходи за поддържане на функционирането на тялото.

6. Посочете какво е нивото на „базален метаболизъм” за човек със средно тегло, изразено в kcal/ден. Отговор: Приблизително 1800 k кал.

7. Назовете 5 начина за разкъсване на химични връзки в съединения, които са най-широко представени в биологичните системи. Отговор: Хидролиза, фосфоролиза, тиолиза, липазно разцепване, окисление.

8. Назовете трите основни класа съединения, които влизат във втората фаза от първата фаза на катаболизма. Отговор: Монозахариди, висши мастни киселини, аминокиселини.

9. Посочете кой метод на разцепване на химичните връзки преобладава в третата фаза на катаболизма. Отговор : Окисляване.

10. Обяснете какво означава терминът "конвергентен принцип на организация на катаболизма" в тялото. Отговор :

11. Обяснете какви предимства дава на човек конвергентният принцип на организиране на катаболизма в тялото му. Отговор:

12. Напишете, като използвате структурните формули на метаболитите, реакцията на окисление на изоцитрат в цикъла на Кребс, като посочите всички съединения, участващи в реакцията. Отговор

13. Посочете как се контролира посоката на метаболитния поток в цикъла на трикарбоксилната киселина на Кребс .Отговор: Термодинамичен контрол - поради включването на две реакции в метаболитния път, съпроводени с голяма загуба на свободна енергия.

14. Посочете 2 възможни начина за попълване на резерва от междинни метаболити на цикъла на Кребс. Отговор: а) Навлизането им от втората фаза на катаболизма, б) Реакцията на карбоксилиране на пирувата.

15.Посочете в коя клетъчна структура са локализирани веригите на дихателните ензими. Отговор : Във вътрешната мембрана на митохондриите.

16. Начертайте диаграма, описваща функционирането на междинните преносители на електрони, които са част от комплекс IV на главната дихателна верига. Отговор:

17. Дефинирайте понятието "окислително фосфорилиране". Отговор : Синтез на АТФ с помощта на енергия, освободена по време на биологичното окисление

18. Посочете ролята на протеин F | в механизма на окислителното фосфорилиране във веригата на дихателните ензими според Мичъл. Отговор : ПротеинЕ | Благодарение на протоните, движещи се по електрохимичния градиент, той катализира образуването на АТФ, АДФ и неорганичен фосфат.

19. Посочете механизма на действие на съединенията, които причиняват разединяване на окисляването и фосфорилирането в митохондриите. Отговор : Тези съединения действат като носители на протони през вътрешната митохондриална мембрана, заобикаляйки системата за синтез на АТФ.

20. Посочете 2 възможни причини за развитието на хипоксични хипоенергични състояния. Отговор : Всеки 2 варианта от 4 възможни: а) липса на кислород във външната среда; б) нарушаване на дихателната система; в) нарушения на кръвообращението; г) нарушена способност на кръвния хемоглобин да пренася кислород.

21. Дайте 2 примера за съединения, в чието неутрализиране участва микрозомалната окислителна система. Отговор : Всеки 2 примера за ароматни карбоцикли (антрацен, бензантрацен, нафтацен, 3,4-бензпирен, метилхолантрен).

22. Обяснете механизма на защитното действие на антиоксиданти като витамин Е или каротин. Отговор : Тези съединения приемат допълнителен електрон от супероксидния анионен радикал, образувайки по-малко реактивна структура поради преразпределението на електронната плътност върху системата от конюгирани двойни връзки, присъстващи в тяхната структура.

Вариант 2

1. Обяснете защо за химичните процеси, протичащи в клетките, промяната в енталпията на системата (H) е почти равна на промяната в общата енергия на системата (E).

Отговор: В биологичните системи не настъпват промени в температурата или налягането по време на химични реакции.

2. Посочете кои химични реакции от гледна точка на термодинамиката могат да протичат спонтанно. Отговор : Само екзергонични химични реакции могат да възникнат спонтанно.

3. Дайте 2 примера за високоенергийни съединения от класа на тиоестерите. Отговор: Всеки два специфични ацил-CoAs

Отговор: 10,3 kcal/M.

5. Посочете какви промени настъпват с хранителните вещества в първата фаза на катаболизма. Отговор : Разделяне на полимери на мономери.

6. Посочете каква част от общата енергия на хранителните вещества се освобождава във втората фаза на катаолизма. Отговор : 1/3 от общата енергия.

7. Посочете кои крайни метаболитни продукти се образуват в третата фаза на катаболизма. Отговор : Вода, въглероден диоксид.

8. Напишете обща диаграма на монооксигеназните реакции, протичащи в клетките. Отговор: SH2 + О2 +KOH 2 ->S-OH+ Co окислен + H 2 O

Отговор:

10. Напишете, като използвате структурните формули на метаболитите, реакцията на окисление на сукцината в цикъла на Кребс, като посочите всички съединения, участващи в реакцията. Отговор:

11. Напишете общото уравнение за цикъла на трикарбоксилната киселина на Кребс. Отговор: Ацетил-CoA + ZNAD + + FAD+GDP~P + 2H: O->CO 2 - ZNADH+H + + FADH 2 + GTP

12.Посочете 2 съединения, които са алостерични активатори на регулаторните ензими от цикъла на Кребс. Отговор: ADF.А.М.Е.

13. Дефинирайте метаболитния път, известен като основната верига на митохондриалните респираторни ензими. Отговор: Метаболитен път, който транспортира протони и електрони с NADH+з 2 за кислород.

14. Назовете междинните носители на главната дихателна верига, които могат да приемат водородни атоми или електрони от външни източници. Отговор: Co.Q, цитохром С.

15. Посочете колко свободна енергия се освобождава при стандартни условия по време на окисляването на 1 мол NADH + H до образуване на 1 мол H2O. Отговор : -52,6 kcal/M.

16. Обяснете какво се нарича разединяване на окисляването и фосфорилирането. Отговор: Нарушаване на връзката между процесите на окисляване и фосфорилиране с превръщането на освободената свободна енергия в топлина.

17. Обяснете значението на понятието „хипоенергийно състояние“. Отговор: Липса на енергия в клетката.

18. Посочете 2 цитохрома, които участват в окислителните процеси, локализирани в мембраните на ендоплазмения ретикулум. Отговор: Цитохромb5, цитохромП 450 .

19. Дайте диаграма на веригата от електронни транспортери с участието на цитохром Р 450, функционираща в мембраните на ендоплазмения ретикулум. Отговор: Майната ти

20. Посочете 2 съединения, в чиято биосинтеза участва микрозомалната окислителна система. Отговор: Адреналин (норепинефрин). стероидни хормони.

21.Посочете 2 възможни източника на образуване на пероксиден радикален анион в тъканите. Отговор :

Вариант 3

1. Дайте обяснение на понятието „свободна енергия на системата“. Отговор: Свободната енергия е част от общата енергия на системата, благодарение на която може да се извърши работа.

2. Посочете защо ендергоничните реакции не могат да възникнат спонтанно Отговор : За възникване на ендергонични реакции е необходим външен източник на енергия.

3. Посочете количеството свободна енергия, освободена при разкъсване на 1 мол АТФ пирофосфатни връзки при стандартни условия. Отговор : 7,3 kcal/mol.

4. Посочете количеството свободна енергия, освободена при разкъсване на високоенергийна връзка в 1 мол креатин фосфат при стандартни условия. Отговор: 10,3 kcal/M.

5. Посочете дневната нужда от протеини на човека, изразена в g/kg телесно тегло (норма на СЗО). Отговор : 1 g/kg.

6. Посочете стойността на калоричния коефициент за протеини по време на тяхното разграждане в човешкото тяло Отговор : 4,1 kcal/g.

7. Посочете каква част от общия енергиен разход на човек се покрива от разграждането на протеините. Отговор: 15%.

8. Дефинирайте понятието "катаболизъм". Отговор : Наборът от процеси, които разграждат хранителните вещества в тялото.

9. Обяснете защо метаболитните пътища на първата и втората фаза на катаболизма се наричат специфични катаболитни пътища. Отговор:По време на тези фази на катаболизма, всяко съединение или група от структурно свързани съединения се разгражда, използвайки различни метаболитни пътища.

10. Обяснете какво означава терминът „конвергентен принцип на организация на катаболизма“ в тялото. Отговор: Тъй като разграждането на хранителните вещества се задълбочава, броят на междинните продукти намалява.

11. Обяснете какви предимства дава на човек конвергентният принцип на организиране на катаболизма в тялото му. Отговор : А). Лесно преминаване от един вид хранително вещество към друг. б). Намаляване на броя на ензимите в крайния етап на катаболизма.

12.Посочете 5 характеристики, които разграничават окислителните процеси, протичащи в биологични обекти, и окислителните процеси, протичащи в абиогенна среда. Отговор: а) „Меки” условия, при които протича процесът, б) Участие на ензими, в) Окисляването става главно чрез дехидрогениране, г) Процесът е многоетапен, д) Интензивността на процеса се регулира според отговорзадоволяване на енергийните нужди на клетката.

13. Напишете, като използвате структурните формули на метаболитите, общата реакция на превръщане на 2-оксоглутарат. в сукцинил-КоА, показващ всички съединения, участващи в реакцията Отговор :

14. Посочете 2 реакции, които са точки на термодинамичен контрол на посоката на потока от метаболити в цикъла на Кребс. Отговор : а) Цитрат синтазна реакция б) 2-оксоглутарат дехидрогеназна реакция.

15.Посочете 3 съединения, в структурата на които се акумулира енергия, отделяща се при окисляването на ацетиловите остатъци в цикъла на Кребс. Отговор : NADH+H+, FADH 2, GTP.

16. Назовете 2 междинни акцептора на водородни атоми, които доставят протони и електрони на веригата от дихателни ензими. Отговор: NADH+H+, FADH 2

17. Начертайте диаграма, описваща функционирането на междинните преносители на протони и електрони, които са част от комплекс 1 на главната дихателна верига. Отговор :

18. Дайте формула, която може да се използва за изчисляване на количеството свободна енергия, освободена по време на преноса на електрони, ако са известни стойностите на редокс потенциалите на началната и крайната точка на веригата за пренос на електрони. Отговор : Ж" = - нхЕx E".

19. Посочете същността на втория етап на преобразуване на енергията, освободена във веригата на дихателните ензими, в енергията на макроергичните връзки на АТФ в рамките на хемоосмотичната концепция за конюгация, предложена от Мичъл. Отговор : Използва се енергията на трансмембранния протонен електрохимичен градиентза образуване на високоенергийна АТФ връзка.

20. Дайте 3 примера за съединения, които разделят процесите на окисление и фосфорилиране в митохондриите. Отговор : Полихлорфеноли, полинитрофеноли, ацетилсалицилова киселина.

21. Посочете кой метод на окисление на съединенията се осъществява предимно по време на процесите на микрозомално окисление. Отговор : Оксигенация.

22. Назовете 3 функции на микрозомалното окисление. Отговор : а) Участие в катаболизма на различни съединения. б) Участие в биосинтезата на необходимите за организма съединения, в) Детоксикация.

23. Избройте 3 възможни начина за инактивиране на супероксид анионния радикал. Отговор : а) Даряване на допълнителен електрон на цитохром С. б) Даряване на допълнителен електрон на антиоксидантно съединение (като витамин Е, каротин и др.) в) Инактивиране по време на реакцията на супероксид дисмутаза.

24. Посочете 2 възможни източника на образуване на пероксиден радикален анион в тъканите. Отговор: а) Образува се в реакции на аеробно дехидрогениране б) Образува се в реакцията на супероксид дисмутаза.

25. Избройте 3 възможни начина за инактивиране на пероксидния анионен радикал в клетките. Отговор : а) По време на реакция, катализирана от каталаза, б) По време на реакция, катализирана от глутатион пероксидаза. в) По време на реакция, катализирана от пероксидаза

26. Посочете каква роля могат да играят процесите на микрозомално окисление в химическата канцерогенеза. Отговор: При неутрализацията на полицикличните ароматни въглеводороди се образуват техните епоксиди, които имат мутагенна активност.

Вариант 4

1. Дайте уравнение, описващо първия закон на термодинамиката във форма, приемлива за описание на термодинамиката на живите обекти Отговор: ∆EsnstemsN+∆Eenvironments = 0.

2. Обяснете какво се нарича енергийно свързване на химичните реакции. Отговор: Използването на свободна енергия, освободена по време на екзергонична реакция, за извършване на ендергонична реакция.

3. Посочете вида на високоенергийната химична връзка в съединенията от класа на нуклеозидните полифосфати. Отговор: Фосфоанхидридна или пирофосфатна връзка.

4. Посочете нивото на дневния разход на енергия на човек, занимаващ се с умствена работа. Отговор : 2500 - 3000 kcal/ден.

5. Посочете каква част от общата енергия на хранителните вещества се освобождава в първата фаза на катаболизма. Отговор: до 3%.

6. Посочете кои 5 метода за разрушаване на химичните връзки на хранителните вещества се използват във втората фаза на катаболизма. Отговор : хидролиза, фосфоролиза, тиолиза, лиазно разцепване, окисление.

7. Посочете 3 съединения, в чиито макроергични връзки се натрупва енергията, освободена в третата фаза на катаболизма. Отговор : ATP, GTP, сукцинил-КоА.

8. Напишете обща схема за реакцията на аеробно дехидрогениране. Отговор: SH 2+ O2 ->Сокислен+з2 О2

9. Напишете, като използвате структурните формули на метаболитите, реакцията на окисление на малата в цикъла на Кребс, като посочите всички съединения, участващи в него. Отговор:

10. Посочете поради действието на кои два основни фактора се регулира интензивността на потока от метаболити в цикъла на Кребс. Отговор: а) Промяна в активността на регулаторните ензими б) Концентрация на оксалоацетат и ацетил-КоА.

11. Назовете ензимите от цикъла на Кребс, чиято активност се инхибира от алостеричен механизъм от високи концентрации на АТФ. Отговор: Цитрат синтаза, изоцитрат дехидрогеназа.

12. Назовете съединението, което е крайният акцептор на електрони във веригата на дихателните ензими. Отговор : Кислород.

13. Начертайте диаграма, описваща функционирането на междинните електронни носители, които са част от комплекс III на главната дихателна верига. Отговор:

14. Посочете стойността на разликата в редокс потенциала между началото и края на главната дихателна верига. Отговор: 1, 14v

15. Посочете същността на първия етап на преобразуване на енергията, освободена във веригата на дихателните ензими, в енергията на макроергичните връзки на АТФ в рамките на хемиосмотичната концепция

сдвояване, предложено от Мичъл, Отговор: Свободната енергия, освободена по време на работата на дихателната ензимна верига, се използва за образуване на протонен електрохимичен градиент спрямо вътрешната митохондриална мембрана.

16. Посочете каква роля играе протеинът F0 в механизма на окислителното фосфорилиране във веригата на дихателните ензими според Мичъл. Отговор: ПротеинЕ 0 осигурява потока на протони по електрохимичния градиент към активния центърЕнзим АТФ синтетаза.

17. Дайте 2 примера за съединения, които инхибират функционирането на комплекс IV от главната верига на дихателните ензими. Отговор: Цианид, въглероден окис.

18. Посочете 2 възможни причини за развитието на хипоксични хипоенергични състояния. Отговор: Всеки 2 варианта от 4 възможни: а) липса на кислород във външната среда; б) нарушаване на дихателната система; в) нарушения на кръвообращението; г) нарушение на способността на кръвния хемоглобин да пренася кислород.

Вариант 5

1. Дайте уравнение, описващо II закон на термодинамиката във форма, приемлива за описание на термодинамиката на жилищни сгради. Отговор : дСсистеми+ DСсреда > 0.

2. Посочете при какви условия две енергийно свързани реакции могат да протичат спонтанно. Отговор : Две енергийно свързани реакции могат да протичат спонтанно, ако общата промяна в свободната енергия е отрицателна

3. Дайте 2 примера за високоенергийни съединения от класа на нуклеозидните полифосфати. Отговор: Всеки 2 от следните: ATP, GTP, CTP, UTP или техните бифосфатни аналози

4. Посочете 2 крайни азотсъдържащи продукта на протеиновия катаболизъм в човешкото тяло. Отговор : Всякакви две от следните: амоняк, урея, креатинин.

5. Посочете какви методи за разрушаване на химичните връзки на хранителните вещества се използват в първата фаза на катаболизма. Отговор : Хидролиза, фосфоролиза.

6. Посочете 4 крайни продукта на метаболизма, образувани във втората фаза на катаболизма. Отговор : 4 съединения от следните: вода, въглероден диоксид, амоняк, урея, креатинин, пикочна киселина.

7. Обяснете защо метаболитните пътища на третата фаза на катаболизма се наричат общи катаболитни пътища. Отговор: Тези метаболитни пътища са еднакви за разграждането на всички хранителни вещества.

8. Напишете една от версиите на общата схема на диоксигеназните реакции, протичащи в клетките. Отговор : Един от вариантите: а) R-CH=CH-R2+ОТНОСНО 2 ->R1-C(O)H + R-C(O)H(алдехиди) b) SH2+ O2 -> HO-S-Oн-> S=0 + H2ОТНОСНО

9. Напишете, като използвате структурните формули на метаболитите, реакцията на синтез на цитрат в цикъла на Кребс, като посочите всички съединения, участващи в реакцията. Отговор :

10. Посочете 4 регулаторни ензима, които участват в катализата на частични реакции от цикъла на Кребс. Отговор : Цитрат синтаза, изоцитрат дехидрогеназа, 2-оксоглутарат дехидрогеназен комплекс, сукцинат дехидрогеназа.

11.Посочете 2 възможни начина за попълване на резерва от междинни метаболити на цикъла на Кребс. Отговор : а) Навлизането им от втората фаза на катаболизма, б) Реакцията на карбоксилиране на пируват.

12. Посочете в кой клетъчен компартмент е локализиран метаболонът от цикъла на трикарбоксилната киселина. Отговор : В митохондриалната матрица.

13. Дайте имената на IV ензимен комплекс от главната дихателна верига на митохондриите. Отговор : Цитохром С- оксидазен комплекс

14. Напишете обобщено уравнение, описващо работата на основната верига от дихателни ензими. Отговор: NADH+H"+1/2O 2 -> NAD + +H 2 O

15. Обяснете защо електрони и протони от редица окисляеми субстрати, като глутамат, изоцитрат, малат и др., се прехвърлят към NAD +. Отговор : Редокс потенциалите на тези съединения са по-малки от тези на NADH+H +, така че електроните от тези съединения могат да бъдат прехвърлени към NAD + по градиента на редокс потенциала.

16. Дайте диаграма на реакциите на окислително фосфорилиране на ниво субстрат, които протичат в цикъла на трикарбоксилната киселина. Отговор

17. Дайте пример за съединение, което инхибира работата на комплекс III от главната верига на дихателните ензими. Отговор : Антимицин.

18. Посочете в кои клетъчни структури са локализирани предимно процесите на микрозомално окисление. Отговор : В мембраните на ендоплазмения ретикулум.

19.Посочете 3 възможни източника на образуване на супероксиден анион радикал в клетките. Отговор: а) По време на окисляването на HbVMetHb. 6) Едноелектронно окислениеKoQH 2 отдаване на електрон на кислородна молекула в) При едноелектронно окисление на редуцирани флавини. (Възможни са и други варианти).

20. Напишете реакцията на неутрализация на пероксида, катализирана от глутатион пероксидаза. Отговор: H 2 O 2 + 2 Gl-СN -> Gl-С- С-GL + 2 H 2 O

Вариант 6

1. Напишете уравнение, което може да се използва за изчисляване на промяната в нивото на свободната енергия по време на определена химична реакция при стандартни условия.

Отговор : ∆ Ж =- 2.303xRxTxлgKравновесие

2. Дайте обща диаграма на енергийното свързване на две химични реакции, протичащи паралелно в живите обекти Отговор :

3. Посочете биологичната роля на високоенергийните съединения. Отговор : Натрупване на свободна енергия, освободена по време на екзергонични реакции и осигуряване на енергия за ендергонични реакции.

4. Посочете каква част от общата хранителна енергия се освобождава в третата фаза

катаболизъм. Отговор : 2/3 .

5. Назовете 5 съединения, влизащи в цикъла на трикарбоксилната киселина на Кребс от втората фаза на катаболизма. Отговор : Ацетил-КоА, оксалоацетат, 2-оксоглутарат, фумарат, сукцинил-КоА.

6. Избройте 3 начина, по които съединенията, използвани в клетките, се окисляват. Отговор : Дехидрогениране, оксигениране, отстраняване на електрони.

7. Избройте 4 функции на биологичното окисление в тялото. Отговор : а) Енергийна функция. б) Пластична функция, в) Детоксикация, г) Генериране на възстановителни потенциали.

8. Избройте 3 функции на цикъла на трикарбоксилната киселина на Кребс. Отговор : Енергия, пластмаса, интеграция.

9. Назовете ензимите от цикъла на Кребс, чиято активност се инхибира по алостеричен механизъм от високи концентрации на АТФ. Отговор : Цитрат синтаза, изоцитрат дехидрогеназа.

10. Посочете 3 междинни продукта от цикъла на Кребс, използвани като начални субстрати за биосинтези. Отговор : Оксалоацетат, 2-оксоглутарат, сукцинил-КоА

11. Дайте имената на ензимен комплекс III от главната дихателна верига на митохондриите. Отговор :Co.QН2, цитохром С оксидоредуктазен комплекс

12. Обяснете защо електроните и протоните по време на окисляването на редица субстрати, като сукцинат, 3-фосфоглицерол и др., Се прехвърлят не към NAD +, а чрез флавопротеини към KoQ. Отговор : Редокс потенциалът на тези съединения е по-висок от този на NADH +з + , но по-малко отKoQ,следователно електроните от тези съединения могат да се прехвърлят по редокс потенциалния градиент само къмKoQ.

13. Дефинирайте термина „окислително фосфорилиране във веригата на дихателните ензими“. Отговор : Синтезът на АТФ се дължи на енергията, освободена по време на движението на електрони по веригата на дихателните ензими.

14. Посочете каква роля играе протеинът F0 в механизма на окислителното фосфорилиране във веригата на дихателните ензими според Мичъл. Отговор : ПротеинЕ 0 осигурява потока на протони по електрохимичния градиент вактивен центърЕнзим АТФ синтетаза.

15. Дайте класификация на хипоенергийните състояния въз основа на причината за възникването им. Отговор : а) Хранителен. 6).Хипоксичен. в) Хистотоксични. Ж). Комбиниран.

16. Дайте диаграма на веригата от електронни транспортери с участието на цитохром Р 450, функционираща в мембраните на ендоплазмения ретикулум. Отговор :

17. Дайте уравнението за реакцията, катализирана от ензима супероксиддисмутаза.

Отговор : O 2- + 0 2- + 2H + -> H 2 O 2 + O 2

Вариант 7

1. Обяснете защо живите обекти не могат да използват топлинна енергия, за да извършват работа. Отговор : INБиологичните системи нямат температурен градиент.

2. Посочете по какъв принцип химичните връзки в определени съединения се класифицират като високоенергийни връзки. Отговор: Свободната енергия за разкъсване на такава връзка трябва да надвишава 5 kcal/mol (еквивалентно: > 21 kJ/M).

3. Назовете 4 класа високоенергийни съединения. Отговор: Всякакви 4 опции от следните: нуклеозидни полифосфати, карбонил фосфати, тиоестери. гуанидин фосфати, аминоацил аденилати, аминоацил-тРНК.

4. Посочете дневната нужда на човека от липиди, изразена в g/kg телесно тегло. Отговор : 1,5 g/kg.

5. Въведете стойността на калориен коефициент за въглехидрати. Отговор : 4,1 kcal/g.

6. Посочете каква част от общия енергиен разход на човек се покрива от разграждането на липидите. Отговор : 30%.

7. Посочете биологичната роля на първата фаза на катаболизма. Отговор : Рязко намаляване на броя на отделните съединения, влизащи във втората фаза.

8. Посочете 2 метаболитни пътя, свързани с третата фаза на катаболизма. Отговор : Цикъл на трикарбоксилната киселина на Кребс, основната верига от респираторни ензими.

9. Напишете обща схема за реакции на анаеробно дехидрогениране. Отговор: SH 2 + х -> Сокислен + CN 2

10. Дефинирайте метаболитния път, известен като цикъл на трикарбоксилната киселина на Кребс. Отговор : Цикличен път на взаимни трансформации на ди- и трикарбоксилни киселини, по време на който ацетилният остатък се окислява до две молекули CO2.

11. Опишете с помощта на структурни формули прехода на цитрат към изоцитрат, като посочите всички участници в процеса. Отговор :

12. Посочете ензимите на цикъла на Кребс, чиято активност е алостерично инхибирана от високи концентрации на NADH + H +. Отговор : Цитрат синтаза, изоцитрат дехидрогеназа, 2-оксоглутарат дехидрогеназен комплекс.

13. Напишете реакцията за синтеза на оксалова оцетна киселина от пируват, като посочите всички участници в процеса. Отговор :CH 2 -CO-COOH+ CO 2 + ATP -> COOH-CH 2 -CO-COOH+ ADP+P.

14. Дайте обща схема на главната дихателна верига на митохондриите. Отговор :

15. Дайте имената на 1 ензимен комплекс от главната дихателна верига на митохондриите. Отговор : NADH+H +,KoQ- оксидоредуктазен комплекс.

16. Посочете причината (движещата сила), която кара електроните да се движат през носещата система на главната дихателна верига. Отговор : Разликата в редокс потенциала между съединенията в началото и края на дихателната транспортна верига.

17. Дефинирайте термина „окислително фосфорилиране на ниво субстрат“. Отговор : Синтез на АТФ с помощта на енергията, освободена по време на окисляването на определено съединение.

18. Дайте 2 примера за съединения, които инхибират функционирането на 1 комплекс от основната верига на дихателните ензими. Отговор : Ротенон, натриев амитал.

19. Посочете 2 възможни причини за развитие на хистотоксични хипоенергетични състояния. Отговор : а) Блокиране на веригата от дихателни ензими, б) Разединяване на окисляването и фосфорилирането.

20. Посочете 2 съединения, в чийто катаболизъм участва микрозомалната окислителна система. Отговор : Триптофан, фенилаланин.

Източникът на свободен Е в хетеротрофните организми е разграждане на хранителни вещества, с други думи, катаболни процеси, протичащи в клетките и тъканите. Катаболизмът включва стотици химикали. реакции, десетки метаболитни пътища. В същото време може да се проследи определена логика в организацията на катаболните процеси. Целият катаболизъм е хранителен. веществата в тялото могат да бъдат разделени на три етапа или, както обикновено се нарича, три фази.

В първата фазаполимерните молекули се разделят на мономери: протеините се разграждат на аминокиселини, олиго и полизахаридите на монозахариди и техните производни, липидите на висши мастни киселини, глицерол, аминоалкохоли и др. В тази фаза няма окислителни процеси, преобладават хидролизата и фосфоролизата . Цялата енергия се разсейва като топлина. В тази фаза има рязко намаляване на броя на съединенията, които след това влизат във втората фаза на катаболизма. Така с разнообразните храни в стомашно-чревния тракт влизат милиони различни протеини и всички се разграждат до 20-25 АА.

Във втората фазатези пет дузини съединения претърпяват допълнително разцепване, така че на изхода от тази фаза остават само пет съединения: ацетил СоА, сукцинил СоА, фумарат, оксало ацетат и 2оксоглутарат. По този начин разграждането на хранителните вещества, което продължава през втората фаза, е придружено от още по-голямо обединяване на междинните продукти. Катаболитните процеси, протичащи във втората фаза, са от смесен характер, т.к включва фосфоролиза, разцепване с лиаза, тиолиза и окислителни реакции. В тази фаза на катаболизма се образуват всички азотсъдържащи крайни продукти на катаболизма, както и някои CO2 и H2O. Организацията на катаболитните процеси е, че при задълбочаване на разграждането на хранителните вещества броят на междинните метаболитни продукти намалява. Този принцип на изграждане на катаболните процеси се нарича принцип на конвергенция. Метаболитните пътища на първата и втората фаза на катаболизма обикновено са индивидуални за отделни съединения или групи от структурно близки вещества от един и същи клас. Следователно метаболитните пътища на първата и втората фаза на катаболизма се наричат специфични катаболитни пътища. В същото време метаболитните процеси на третата фаза на катаболизма са еднакви, независимо кое съединение се разгражда.

В тази връзка метаболитните пътища трета фазасе наричат общи пътища на катаболизъм. Наличието на общи метаболитни пътища в третата фаза на катаболизма, при която се освобождава 2/3 от цялата свободна енергия, повишава адаптивните възможности на живите организми, т.к. прави сравнително лесно преминаването от един вид хранително вещество към друг. Наличието на общи метаболитни пътища в третата фаза също прави възможно намаляването на броя на различните ензими, необходими на клетките и тъканите за обработка на различни хранителни вещества. Всичко това помага на организмите в борбата за оцеляване и е резултат от дългата еволюция на живите организми Пътища на третата фаза на катаболизма: цикълът на трикарбоксилната киселина на Кребс и веригата от дихателни ензими

Q=∆H + W

където: Q – топлинна енергия

ΔН – енталпия

W – работа

Така клетките, получавайки енергия от външната среда под формата на светлинни кванти (фотосинтеза) или химическа енергия на органични и неорганични вещества и я съхранявайки в съединения с висок енергиен потенциал (ATP), я превръщат в електрическа или химическа енергия, съдържаща се в молекула. АТФ е основният носител на химическа енергия във всички живи организми. АТФ може да прехвърли енергията си към други биомолекули, губейки крайната си фосфатна група, превръщайки се в АДФ, т.е. изпълнявайки работата на контрактилния, двигателен апарат за транспортиране на вещества през мембраната. Безполезна топлинна работа се освобождава в околната среда - ентропията на околната среда (∆S) се увеличава.

Втори закон на термодинамиката

Системата се стреми към своя безпорядък.Това се документира чрез увеличаването на ентропията ΔS и се изразява чрез уравнението:

ΔH = ΔG + TΔS

където: ΔH – топлинна енергия,

ΔG – свободна енергия на Гибс,

T – абсолютна температура.

Стойността на ентропията е постоянна и има положителна минимална стойност. Това се дължи на факта, че повишаването на нивото на ентропия в системата по време на разграждането на хранителните вещества се компенсира чрез отстраняването на крайните продукти от системата и интензификацията на биосинтетичните процеси и тази стойност се намалява до необходимите стационарни параметри .

Ако метаболизмът спре, енергията на Гибс на системата намалява, ентропията се увеличава (т.е. качеството на енергията намалява) и енталпията, която характеризира мярката за топлинното съдържание на системата, намалява. Винаги се стреми към минимум и когато го достигне, тялото умира. Следователно задачата на един организъм или биосистема е високо ниво на енталпия и свободна енергия. Системата има тенденция да поддържа стойността на ентропията на по-ниско стационарно ниво.

Известно е, че колкото по-висока е твърдостта на дадено вещество, толкова по-ниска е неговата ентропия. Така че ентропията на диаманта (0,57 e.u.) е половината от ентропията на графита (1,7 e.u.). Карбидите, боридите и други много твърди вещества се характеризират с ниска ентропия. Ентропията на аморфното тяло е малко по-голяма от ентропията на кристалното. Увеличаването на степента на дисперсия на системата също води до леко увеличение на нейната ентропия.

Ентропията се увеличава, когато молекулата на дадено вещество става по-сложна; Така че за газовете N 2 O, N 2 O 3, N 2 O 5 ентропията е съответно 52,6; 73.4 и 85.0 e.u. Ентропията на разклонените въглеводороди е по-малка от ентропията на неразклонените въглеводороди. Ентропията на циклоалкана е по-малка от ентропията на съответния му алкен.

Нека разгледаме по-подробно факторите, необходими за поддържане на стабилно състояние. За да се осъществи метаболизма, т.е.

субстрат S → X ↔ Y → P(крайни продукти на разграждане)

изпълнение V 1, V 2, V 3 – конст.

метаболизъм

концентрацията на субстрата (S) трябва да осигури насищане на ензима, катализиращ тази трансформация. Тази реакция трябва да бъде еднопосочна, създавайки нетен поток към разграждане на субстрата. Такива реакции контролират работата на системата и са нейните ограничаващи връзки - те са кинетично необратими. Пример за такава реакция в организма е глюкокиназната реакция, която води до образуването на gl-6-фосфат от глюкоза в присъствието на АТФ и Mg 2+. Това е ограничаващото звено в гликолизата, което определя скоростта на процеса като цяло.

Условия за поддържане на стационарен поток.

1. Последните етапи на метаболизма трябва да са кинетично необратими (CO 2 H 2 O);

2. Тъй като крайните продукти се отделят от тялото, ентропията в биосистемата се поддържа почти постоянна;

3. Постоянният поток от хранителни вещества и енергия е само едно от условията за поддържане на стабилно състояние;

4. Наличие на структурна организация, която позволява усвояването и използването на хранителни вещества и енергия.

Въведение в метаболизма. Принципи на метаболитна организация.

Метаболизъм- може да се определи като съвкупността от всички биоорганични реакции, катализирани от ензими.

Междинен обмензапочва от момента, в който хранителните вещества навлязат в кръвта и докато крайните продукти на метаболизма се отстранят и осигурят на организма необходимите за живота му вещества и енергия.

Метаболизъме силно интегриран и фокусиран процес. Интеграцията е възможна поради наличието на връзка между метаболизма на въглехидрати, протеини и мазнини и др. Връзката се осигурява от общо енергийно снабдяване, общи междинни метаболити, на нивото на които има пресичане на специфични метаболитни процеси ( gl-6-ph, PVK, ацетил-CoA), общи метаболитни процеси (TCA цикъл, окислително фосфорилиране). Интеграцията е възможна и поради връзката между тъкани и органи. Интегриращите системи включват нервната система (центърът за обработка на информация и вземане на решения при промяна на условията); ендокринна система (производство на хормони, които предават информация в клетката); съдова система (служи за транспортиране не само на хранителни вещества, но и на хормони).

Последователността на метаболизма в организма ни позволява да разграничим 4 етапа на метаболизма, т.е. метаболизмът се характеризира с динамика и етапи.

Етап 1– на този етап се подготвя доставката на хранителни вещества на вътрешните тъкани на тялото по време на процеса на храносмилане в стомашно-чревния тракт. Има:

а) далечно храносмилане - например разграждането на протеини под действието на пепсин в стомашната кухина или трипсин в чревния лумен.

б) париетални или мембранни - например действието на пептидазите, фиксирани върху повърхността на клетките на чревната лигавица;

в) вътреклетъчни - например в лизозоми, смилане под действието на протеолитични ензими.

Освен ензимите на макроорганизма в храносмилането участват и ензими на чревната микрофлора.

Етап 2– резорбция – процеси на усвояване на хранителни вещества през чревната лигавица.

Етап 3– интерстициален метаболизъм – ензимни процеси на синтез и разграждане, регулирани от неврохуморалния път.

Етап 4– екскреция – екскреция на метаболитни продукти.