Введение в метаболизм (биохимия). Общие принципы регуляции путей метаболизма Что ускорит метаболизм

Глава 5.

Элементы химической термодинамики

1. Организация химических реакций. Энергетические циклы

2. Основные положения термодинамики

3. Законы термодинамики

4. Введение в обмен веществ.Принципы организации метаболизма. Понятие о процесса катаболизма и анаболизма.

5. Иерархия метаболической регуляции

6. Энергетический обмен. Что такое биоэнергетика?

7. Протонный потенциал.

8. Структурные особенности АТФ. Роль макроэргов в обмене веществ.

9. Представление о биологическом окислении, его роль и виды, ферменты и коферменты этого процесса.Реакции синтеза АТФ. Окисление энергетических субстратов.Переносчики электронов и протонов. Генерирование протонного потенциала.Коэффициент окислительного фосфорилирования. Механизмы его регуляции.

10. Пути утилизации кислорода.

11. Синтез АТФ.

12. Общие пути метаболизма. Цикл трикарбоновых кислот его амфиболическая сущность.Энергетический обмен. Протонный потенциал.

Биологически важные макроэргические соединения. Представление о биологическом окислении. Роль биологического окисления.

13. Реакции окисления-восстановления. Пути утилизации кислорода: оксидазный и оксигеназный.

14. Синтез АТФ. Синтез АТФ путем субстратного и окислительного фосфорилирования.

Генерирование протонного потенциала. Синтез АТФ за счет протонного потенциала.

15. Ситуационные задачи, теоретические задания и лабораторно практические работы по теме «Биохимическая термодинамика».

16. Энергетический обмен и общий путь катаболизма.

Биохимическая термодинамика – раздел биохимии, который занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Её основополагающие принципы позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Небиологические системы могут совершать работу за счёт тепловой энергии, биологические же системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Жизнедеятельность организма определяют особенности организации биологических структур, обмена веществ и энергии, передачи генетической информации и механизмы регуляции.

Повреждение любого из этих звеньев приводит к развитию патологического процесса и заболеванию. Знание молекулярных механизмов жизнедеятельности и их нарушений – основа для поиска и применения в клинике препаратов различной биологической природы.

Организация химических реакций.

Цепи химических реакций образуют метаболические пути или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. Принято выделять центральные и специальные метаболические пути. Центральные циклы являются общими для распада и синтеза основных макромолекул. Они очень сходны у любых представителей живого мира. Специальные циклы характерны для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул, кофакторов и т.д.

Энергетические циклы.

Вследствие многообразия форм питания и потребления энергии живые организмы в природе тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь в питании и использовании источников энергии можно представить в виде своеобразных энергетических циклов живой природы.

Главные компоненты этого цикла:

Солнце - источник внеземной энергии,

Аутотрофы, улавливающие солнечную энергию и синтезирующие из СО 2 углеводы и прочие органические вещества

Гетеротрофы - животные организмы, потребляющие органические вещества и кислород, производимый растениями

Фототрофы – растения, производящие кислород в процессе фотосинтеза

Потери энергии, связанные с жизнедеятельностью всех организмов на Земле, возмещаются энергией Солнца. Следует подчеркнуть, что клетки животных и человека используют в качестве энергетического материала сильно восстановленные вещества (углеводы, липиды, белки), т.е. содержащие водород. Водород – энергетически ценное вещество. Его энергия переходит в энергию химических связей АТФ.

Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. Сложнейшая регуляция обмена веществ на разных уровнях обеспечивается работой множества ферментных систем, это – саморегуляция химических превращений.

Ферменты – это высокоспециализированные белки, которые синтезируются в клетке из простых строительных блоков – аминокислот. Обмен веществ осуществляется при участии нескольких сотен различных типов ферментов. Реакции, катализируемые ферментами, дают 100%-ный выход без образования побочных продуктов. Каждый фермент ускоряет лишь какую-то цепь реакций данного соединения, не влияя на другие реакции с его (соединением) участием. Поэтому в клетке возможно протекание множества реакций без опасности загрязнения клетки побочными продуктами. Сотни реакций в клетках при участии ферментов организованы в виде последовательно идущих друг за другом реакций – стационарного потока.

В ходе химических превращений происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, молекул и ионов и перераспределение сил химической связи, что приводит к выделению энергии (если итогом взаимодействия является упрочнение связей между атомами, ионами и молекулами), либо к поглощению (если эти связи становятся более слабыми). Поэтому для всех химических реакций характерны не только глубокие качественные изменения и строго определенные стехиометрические соотношения между количествами исходных и образующихся в результате реакции веществ, но и вполне определенные энергетические эффекты.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики.

Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО 2 , NН 3 , мочевина, креатинин).

Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.

Катаболизм.

Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.

1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.

Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.

2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.

Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию , которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.

Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию.Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.

На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.

На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.

На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.

Анаболизм.

Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.

2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.

3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.

Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.

В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.

Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.

Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Принципы интеграции метаболизма

Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.

Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.

При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.

Энергетический обмен

Биоэнергетика – это наука, изучающая энергообеспечение живых существ, иными словами, превращение энергии внешних ресурсов в биологически полезную работу. Первым, этапом преобразования энергии является энергизация мембраны- это генерирование трансмембраниой разности электрохимического потенциала ионов водорода или протонного потенциала (ΔμН +) и трансмембранной разности электрохимического потенциала натрия или натриевого потенциала (ΔμNа +).

Глава 6.

Представление о биологическом окислении

Биологическое окисление - это совокупность всех окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых организмах.

Пути утилизации кислорода

Кислород – сильный окислитель. Окислительно-восстановительный потенциал пары кислород/вода равен +0,82 в. Кислород обладает высоким сродством к электронам. Существует два пути утилизации кислорода в организме: оксидазный и оксигеназный.

Окисление

Оксидазный путь Оксигеназный путь

полное неполное

Окисление окисление

конечный продукт моноокси- диокси- пероксидное

Геназный геназный окисление

Н 2 О Н 2 О 2 путь путь

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

Оксидазный путь

В основе оксидазного пути утилизации кислорода лежит реакция дегидрирования, в результате которой происходит отщепление 2-х атомов водорода (2Н↔2Н + +2ē) от окисляемого субстрата с последующим переносом их на кислород.

Для полного восстановления кислорода до воды требуется две пары электронов

(4ē). Одномоментно к ½ О 2 присоединяется 2 ē.

2ē ½О 2 + 2ē ОН -

RH 2 + ½O 2 R + H 2 O ОН - + 2Н + -- 2 Н 2 О

Для неполного восстановления кислорода до пероксида водорода требуется одна пара электронов (2 ē). Одномоментно присоединяется один электрон.

О 2 + ē О 2 - супероксиданионрадикал

О 2 + Н + НО 2 перекисный радикал

НО · 2 + ē НО 2 - перекисный ион

НО - 2 + Н + Н 2 О 2 пероксид водорода

Оксигеназный путь

В основе оксигеназного пути утилизации кислорода лежит непосредственное включение кислорода в окисляемый субстрат, с образованием соединений с одной или несколькими гидроксильными группами или органических соединений с пероксидной группой.

Монооксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в модифицируемый субстрат только один атом кислорода, а второй атом кислорода восстанавливается до воды в присутствии НАДФН+Н + как источника водорода.

RН 2 + О 2 + НАДФН+Н + → R-OH + НАДФ + + Н 2 О

Диоксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в субстрат двух атомов кислорода.

RH 2 + 2О 2 + НАДФН+Н + НО-R-OH + НАДФ +

Общие пути метаболизма.

Ацетил-КоАявляется центральным метаболитом превращения глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот.

ОН ОН

ТПФ – гидроксиэтил

На второй стадии происходит акцептирование ацильного остатка коферментом A (KoA-SH) и образование ацетил-КоА. Транслокация ацильного остатка катализируется вторым ферментом комплекса – дигидролипоилтрансацетилазой. Переносчиком ацильного остатка является простетическоя группа фермента – липоевая кислота

(витаминоподобное соединение), которая может находиться в двух формах: окисленной и восстановленной.

(Восстановленная форма)

На третьей стадии происходит окисление восстановленной формы липоевой кислоты. Акцептором двух атомов водорода является кофермент НАД + . Реакцию окисления катализирует третий фермент - дигидролипоилдегидрогеназа, простетическойгруппой которого является ФАД.

НАДН + Н + снабжает дыхательную цепь 2Н + и 2ē и обеспечивает синтез 3 молей АТФ.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГ)

Образование ацетил-КоА из пирувата – необратимая реакция, так как ΔG = - 33,5 кДж/моль. Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: аллостерической регуляцией и путем обратимого фосфорилирования (ковалентная модификация). [АТФ] / [АДФ] и [НАД + ] / [НАДН] - важнейшие сигналы, отражающие энергетические потребности клетки. ПДГ активен в дефосфорилированной форме. Протеинкиназа ПДГ переводит фермент в неактивную фосфорилированную форму, а фосфатаза поддерживает ПДГ в активном дефосфорилированном состоянии. При насыщении клетки АТФ (повышается молярное отношение [АТФ] / [АДФ]) активируется протеинкиназа которая ингибирует ПДГ.

АТФ -это удаленный продукт реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. Кроме АТФ активируют протеинкиназу продукты реакции: ацетил-КоА и НАДН. При выработке избытка энергии система регуляции блокирует образование Ацетил-КоА и, как следствие, снижает скорость ЦТК и синтеза АТФ.

Рис.6-1. Регуляция активности протеинкиназы пируват декарбоксилазы путем

Цикл трикарбоновых кислот

Этот цикл называют также цикл Кребса, в честь Ганса Кребса (лауреата Нобелевской премии 1953 г.), определившего последовательность этих реакций. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – с одной стороны, является конечным этапом катаболизма белков, углеводов и липидов, который сопровождается генерированием восстановленных коферментов – универсальных энергетических субстратов – ФАДН 2 , НАДФН+Н + . Восстановленные коферменты далее используются митохондриальной цепью переносчиков электронов для генерации АТФ из АДФ и Ф н. С другой стороны, промежуточные продукты ЦТК являются субстратами для биосинтеза эндогенных белковых веществ, соединений углеводной и липидной природы и других соединений.

Катаболическая функция ЦТК.

ЦТК - это последовательность 8 реакций, в результате которых ацетил-КоА (активная уксусная кислота) окисляется до двух молекул СО 2 т.е. до конечного продукта метаболизма.

Ацетил-КоА - двууглеродная ацильная группа, характеризуется очень прочной С-С-связью. Непосредственное расщепление С-С-связи в ацетил-КоА представляет собой трудную химическую задачу. В природе существует весьма распространенное решение подобных задач – это циклическое превращение. ЦТК начинается с реакции конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом(ОАА) с образованием цитрата(лимонной кислоты) и заканчивается образованием ОААпри окислении малата,т.е. цикл замыкается. Все ферменты ЦТК локализуются в матриксе митохондрий и являются растворимыми белками. Исключением является сукцинат-дегидрогеназа, локализованная на поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Реакция конденсации.

Ацетил-КоА + ОАА+ Н 2 О→цитрат + KoA-SH

Реакцию катализирует регулируемый фермент – цитратсинтаза.Это необратимая энергозависимая реакция, так как ΔG= - 32,2 кДж/моль. Источником энергии в этой реакции является энергия разрыва тиоэфирной связи в молекуле ацетил-КоА.

Цитрат– трикарбоновая оксикислота. Гидроксильная группа располагается у третичного атома С.По аналогия с третичными спиртами, цитрат не окисляется.

Реакция изомеризации.

В результате этой реакции происходит перемещение гидроксогруппы из 3-го во 2-е положение углеродной цепи цитрата и образование изомера лимонной кислоты - изоцитрата. Аконитаза – фермент, обладающий абсолютной стереоспецифичностью, катализирует последовательное отщепление Н 2 О, а затем присоединение ее в другое положение.

Цитрат→аконитат → изоцитрат

Изоцитрат - изомер лимонной кислоты, у которой ОН-группа располагается у вторичного атома углерода. По аналогии с вторичными спиртами изоцитрат может подвергаться окислению с образованием кетокислоты.

Реакция окисления.

Сукцинат фумарат

ФАД ФАДН 2

Реакция катализируется ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназой.Фермент обладает абсолютной стереоспецифичностью. Продуктом реакции является фумарат (транс-изомер). Восстановленный кофермент ФАДН 2 снабжающий дыхательную цепь 2Н + и 2ē для генерации АТФ

Реакция гидратации

Фумарат +Н 2 О → малат

Присоединение воды к фумарату катализируется фумаразой(традиционное название фермента). Продукт реакции – гидроксикислота - малат(яблочная кислота).

Реакция окисления.

Малат ОАА

НАД + НАДН+Н +

Реакция катализируется малатдегидрогеназой НАД + -- зависимой.

ОАА включается в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-КоА, т.е. ЦТК замыкается. Восстановленный кофермент НАДН+Н + снабжает дыхательную цепь 2Н + и 2ē и участвует в процессе окислительного фосфорилирования.

Стехиометрия ЦТК.

СН 3 -СО-S-KoA + 2Н 2 О +ЗНАД + + ФАД + ГДФ + Н 3 РО 4 →2СО 2 + 3НАДН+ЗН + +ФАДН 2 , +ГТФ + KoA-SH, ΔG=-40,0 кДж/моль

Таким образом, в результате одного оборота цикла от ацетил-КоА отщепляется KoA-SH, а ацетильный остаток расщепляется до 2-х молекул СО 2 . Этот метаболический процесс сопровождается:

Образованием 4-х восстановленных коферментов: 3-х молекул НАДН +Н + и 1 молекулы ФАДН 2 ;

ГТФ + АДФ→ГДФ +АТФ

Энергетический эффект ЦТК.

За счет окислительного фосфорилировапия:

3НАДН + Н + → (6Н + и 6ē) ЦПЭ → 3 х ЗАТФ = 9 АТФ

ФАДН 2 → 2Н + и 2ē → ЦПЭ → 2АТФ .

За счет субстратного фосфорилирования – 1 АТФ

Итого: при окислении 1 молекулы Ацетил-КоА, при условии сопряжения реакций окисления с окислительным фосфорилированием генерируется 12 молекул АТФ.

Анаболическая функция ЦТК.

ЦТК служит источником интермедиатов (промежуточных метаболитов), которые являются субстратами многих биосинтетических реакций.

1. Сукцинил-КоА является субстратом для биосинтеза порфиринов. Внедрение в пор-фирин катиона железа приводит к образованию гема– простетической группы гемопротеидов (гемоглобина, миоглобина, каталазы, цитохромов и др.).

2. Цитрат может с помощью белков-переносчиков транспортироваться из матрикса митохондрий в цитоплазму, где при действии фермента цитратлиазы расщепляться с образованием цитозольного ацетил-КоА - субстрата для синтеза холестерина, ВЖК.

Цитрат + АТФ + КоА → ОАА + Ацетил-КоА + АДФ + Н 3 РО 4 .

З. ОАА - с помощью малат-аспартатного челночного механизма транспортируется из матрикса митохондрий в цитоплазму, где в реакции трансаминирования превращается в аспартат. , в свою очередь, может трансформироваться в другие аминокислоты и участвовать в биосинтезе белка. Аспартат используется и в синтезе азотистых оснований и, таким образом, участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот. ОАА (оксал-ацетат) в цитоплазме может подвергаться декарбоксилированию при действии фосфоенолпируваткарбоксикиназы в присутствии ГТФ с образованием ФЕП- промежуточного метаболита участвующего в синтезе глюкозы (в глюконеогенезе).

4. α-Кетоглутарат поступает в цитоплазму, где превращается в глутамин, пролин, гистидин, аргинин, которые далее включаются в синтез белковых веществ и других биологически важных соединений. Таким образом, ЦТК – это амфиболический цикл.

Протонный потенциал.

Трансмембранная разность электрохимического потенциала иона водорода, ΔμН + или протонный потенциал занимает центральное положение в системе процессов трансформации энергии, протекающий во внутренней мембране митохондрий. За счет энергии внешних ресурсов протоны транспортируются через биологическую мембрану против сил электрического поля в направлении большей их концентрации, в результате генерируется разность электрохимического потенциала. ΔμН + состоит из 2-х компонентов: электрического в форме трансмембранного градиента электрических потенциалов (Δφ) и химического, в форме трансмембранной концентрации ионов водорода (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Потенциальная энергия, накопленная в виде Δφ и ΔрН, может быть утилизирована полезным образом, в частности, в синтезе АТФ.

Роль АТФ в обмене веществ

В биологических системах АТФ постоянно образуется и постоянно потребляется. Оборот АТФ очень высок. Например, человек в покое расходует около 40 кг АТФ в сутки. Энергопотребляющие процессы могут осуществляться при условии постоянного регенерирования АТФ из АДФ. Таким образом, цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энергии в биологических системах.

Синтез АТФ

Реакция синтеза АТФ – это реакция фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Рис. 6-1).

АДФ + Н 3 РО 4 → АТФ + Н 2 О.

Это эндергоническая реакция, которая протекает только при поступлении свободной энергии извне, так как ΔG = + 30,5 кДж/моль

(+ 7.3 ккал/ моль). Следовательно, синтез АТФ может протекать лишь при условии энергетического сопряжения с экзергоническими реакциями. В зависимости от источника свободной энергии существует два пути синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование иокислительное фосфорилирование.

СООН СООН

ΔG= - 61,9 кДж/моль (- 14,8 ккал/моль).

Путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты, богатой энергией, с этих макроэргических соединений на АДФ и синтезируется АТФ.

ΣФЕП +АДФ→ПВК +АТФ

К макроэргическим соединениям относятся и соединения с тиоэфирными связями. Например, сукцинил~S-KoA. При разрыве тиоэфирной связи высвобождается энергия, которая используется на синтез ГТФ (ГДФ+Н 3 РО 4 → ГТФ + Н 2 О). Сукцинил~S-KoA + ГДФ +Н 3 РО 4 → Сукцинат + ГТФ + HS~КоА, ΔG=-35.5 кДж/моль.

Типы переносчиков

ФМН + 2Н + + 2ē ↔ ФМНН 2

Железо-серные центры

Это белковые негемовые железосодержащие переносчики электронов. Имеются несколько типов железо-серных центров: Fe-S,Fe 2 -S 2 , Fe 4 -S 4 . Атомы железа комплексов могут отдавать и принимать электроны, поочередно переходя в ферро-(Fe 2+) - и ферри-(Fe 3+) - состояния. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, кофермент-Q(KoQ) – единственный небелковый переносчик электронов.

КоQ (хинон) КоQ (семихинон) КоQН 2 (гидрохинон)

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон – органический свободный радикал. Е о =+0,01

Цитохромы – белковые переносчики электронов, в качестве простетической группы, содержащие гемовое железо. В основе функционирования цитохромов лежит изменение степени окисления атома железа Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+ . Различные цитохромы обозначаются буквенными индексами: b, с 1 , с, a, a 3 . Отличаются цитохромы по структуре белковой части и боковых цепей гема, в связи с этим они имеют и различные величины редокс-потенциалов (окислительно-восстановительных потенциалов). Цитохром «b» Е о = +0,08 , «c i » Е о =+0,22, «с» Е о = +0,25, «аа з » Е о = +0,29. Отличительной особенностью цитохрома с является то,что он непрочно связан с внешней поверхностью внутренней мембраны митохондрий и легко покидает её.

Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных комплекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий, представляющие собой ферментативный ансамбль,получивший название «дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса электронов).

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Комплекс III – КоQН 2 -дегидрогеназа (KoQH 2 -цит.с-редуктаза). Простетические группы: FeS, цитохромы b 1 , b 2 , с 1 . Акцептор электронов – цитохром - с.

Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы аа з, Си 2+ . Акцептор электронов– кислород.

Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Между комплексами электроны транспортируются при помощи подвижных переносчиков - убихинона и цитохрома-с.

Окислительно-восстановительные переносчики в ЦПЭ расположены в порядке увеличения стандартных окислительных потенциалов, что обеспечивает самопроизвольный транспорт двух электронов по дыхательной цепи от НАДН+Н + к кислороду - конечному акцептору электронов. Перенос двух электронов по ЦПЭ является полезной работой и сопровождается поэтапным высвобождением свободной энергии Гиббса (ΔG), которая далее используется в синтезе АТФ.Поэтапное высвобождение энергии приводит к тому, что электроны, которые восстанавливают кислород, находятся на более низком энергетическом уровне, по сравнению с электронами, находящимися в восстановленном НАДН +Н + в начале цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμН +

Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в энергию химических связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский ученый Питер Митчелл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH + . ΔμH + . = Δ рН+ Δ φ

рН - градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году

П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала общепризнанной.

По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н + из матрикса митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации протонов - ΔрН и приводит к возникновению отрицательного заряда на поверхности мембраны со стороны матрикса и положительного заряда со стороны межмембранного пространства, при этом создается разность электрических потенциалов – Δφ. Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н + , ФАДН 2 , вода. Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:

1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и, особенно, для протонов.

2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это обеспечивается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и электронов и протонов одновременно.

4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала

Обмен веществ и энергии - совокупность процессов превращения веществ и энергии в живых организмах и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ включает 3 этапа - поступление веществ в организм, метаболизм, или промежуточный обмен, выделение конечных продуктов обмена.

Основные функции метаболизма - извлечение энергии из окружающей среды (в форме химической энергии органических веществ), превращение экзогенных веществ в строительные блоки, сборка белков, нуклеиновых кислот, жиров из строительных блоков, синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения различных специфических функций данной клетки.

Различают две стороны обмена веществ – анаболизм и катаболизм

Катаболизм – ферментативный распад высокомолекулярных соединений до составляющих их мономеров и дальнейший распад мономеров до конечных продуктов: углекислого газа, аммиака, лактата.

Главные реакции катаболизма – реакции окисления, поставляющие клетке энергию. Энергия может запасаться в двух формах: АТФ, НАДФН+Н - донор водорода в реакциях восстановления при синтезе ряда соединений.

Анаболизм - ферментативный синтез основных макромолекул клетки, а также образование биологически активных соединений, требует затраты свободной энергии (АТФ, НАДФН+Н).

Отличия катаболизма и анаболизма. Катаболизм – распад, запасание АТФ. Анаболизм – синтез, но потребление АТФ. Пути не совпадают, разное число реакций. Отличаются по локализации. Разная генетическая и аллостерическая регуляция.

Основной энергетический источник для человека – энергия, запасённая в химических связях пищевых продуктов. Соотношение Б:Ж:У = 1:1:4. 55% энергии человек получает за счёт углеводов, 15% - за счёт белков, 30% - за счёт жиров (80% приходится на животные жиры, а 20% - на растительные).

Суточная потребность человека в энергии – 3000 ккал. Суточная потребность человека в энергии зависит от: работы (при тяжёлой физической работе выше основной обмен), пола (у женщин величина обмена ниже на 6-10%), температуры (при повышении температуры тела на один градус величина обмена возрастает на 13%), возраста (с возрастом, начиная с 5 лет, величина основного обмена снижается).

За сутки в организме образуется и распадается около 60 кг АТФ. Цикл АТФ-АДФ работает постоянно. Он включает в себя использование АТФ для различных видов работы и регенерацию АТФ за счёт реакций катаболизма.

Унификация питательных веществ идёт в три фазы.

I. Подготовительная фаза. Высокомолекулярные соединения распадаются под действием гидролаз ЖКТ до мономеров. Протекает в ЖКТ и лизосомах. Не является поставщиком энергии (1%).

II фаза. Превращение мономеров в простые соединения - центральные метаболиты (ПВК, ацетилКоА). Эти продукты связывают 3 вида обмена, до 2-3 с, протекает в цитоплазме, завершается в митохондриях, даёт 20-30% энергии, поставляемой анаэробно.

III фаза. Цикл Кребса. Аэробные условия, полное окисление поступивших с пищей веществ, выделяется большое количество энергии и аккумулируется она в АТФ.

Анаболические пути расходятся

1 фаза. Синтез белков начинается с образования α-кетокислот.

2 фаза. Аминирование α-кетокислот, получение АМК.

3 фаза. Из АМК образуются белки. 2 СО2

Общий путь катаболизма. После образования ПВК дальнейший путь распада веществ до углекислого газа и воды происходит одинаково в общем пути катаболизма (ОПК). ОПК включает реакции окислительного декарбоксилирования ПВК и ЦТК. Реакции ОПК происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород на компоненты дыхательной цепи. Катаболические пути сходятся, вливаясь на третьей фазе в ЦТК.

На первой фазе белки дают 20 АМК. На второй фазе 20 АМК дают ацетилКоА и аммиак. На третьей фазе ЦТК даёт углекислый газ, воду и энергию.

Метаболические пути – совокупность катализируемых ферментами реакций, в ходе которых происходит превращение субстрата в продукт. Главные (основные) метаболические пути – универсальные, свойственные любой клетке. Поставляют энергию, синтез основных биополимеров клетки. Добавочные пути менее универсальны, характерны для определённых тканей и органов. Синтез важных веществ. Поставляют энергию в форме НАДФН+Н.

Цикл трикарбоновых кислот открыт в 1937 г Г.Кребсом, протекает в циклическом режиме в матриксе митохондрий, в каждый оборот ЦТК вступает в форме ацетилКоА одна ацетильная группа, 2 атома углерода, и при каждом обороте из цикла выводится 2 молекулы углекислого газа. Оксалоацетат в ЦТК не расходуется, так как он регенерирует.

Изомеризация цитрата - α –Кетоглутарат окисляется до сукцинилКоА и углекислого газа.

ЦТК – специфический механизм для расщепления ацетилКоА на 2 типа продуктов: углекислый газ – продукт полного окисления, восстановленные нуклеотиды, окисление которых является главным источником энергии.

При окислении одной молекулы ацетилКоА в ЦТК и системе окислительного фосфорилирования образуется 12 молекул АТФ: 1АТФ за счёт субстратного фосфорилирования, 11АТФ за счёт окислительного фосфорилирования. Энергия окисления аккумулируется в форме восстановленных нуклеотидов и 1АТФ. Валовое уравнение ЦТК - АцетилКоА + 3НАД + ФАД+ АДФ+Фн+2Н20→ 2СО2+ 3НАД+Н +ФАДН2+ АТФ + КоАSH

ЦТК – центральный метаболический путь. Функции ЦТК: интегрирующая, энергообразующая, анаболическая.

Взаимосвязь обмена веществ на уровне цикла Кребса.

Анаболическая функция ЦТК. Метаболиты цикла Кребса используются для синтеза различных веществ: углекислый газ в реакциях карбоксилирования, α-кетоглутарат → глу, оксалоацетат → глюкоза, сукцинат → гем.

ЦТК играет роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза.

Регуляция ЦТК. Регуляторные энзимы: цитратсинтаза, изоцитратДГ, α –кетоглутаратДГ комплекс.

Положительные аллостерические эффекторы цитратсинтазы - ЩУК, ацетилКоА, НАД, АДФ.

Отрицательные аллостерические эффекторы цитратсинтазы - АТФ, цитрат, НАДН+Н, жирные кислоты, повышение выше нормы концентрации сукцинилКоА.

Действие АТФ заключается в повышении Км для ацетилКоА. С увеличением концентрации АТФ снижается насыщение фермента ацетилКоА и в результате снижается образование цитрата.

Положительные аллостерические эффекторы изоцитратДГ - АДФ, НАД.

Отрицательные аллостерические эффекторы изоцитратДГ - АТФ, НАДН+Н.

Цикл Кребса регулируется по типу обратной связи: ингибируется АТФ, активируется АДФ. Гипоэнергетические состояния – состояния, при которых снижается синтез АТФ.

Гипоксия тканей из-за: снижения концентрации кислорода в воздухе, нарушения работы сердечно-сосудистой и дыхательной систем, анемии, гиповитаминозы, голодание.

Роль витаминов в цикле Кребса - рибофлавин (ФАД) - кофермент СДГ, α-кетоглутарат ДГ комплекса, РР (НАД) – кофермент МДГ,ИДГ, α-кетоглутарат ДГ, тиамин (ТПФ) - кофермент α-кетоглутарат ДГ комплекса, пантотеновая кислота (КоА): ацетилКоА, сукцинилКоА.

Вариант 1

1. Напишите уравнение термодинамики, отражающее связь между изменениями свободной энергии (G) и общей энергии системы(Е).Ответ :

2. Укажите, какие два вида энергии клетка может использовать для совершения работы. Ответ : Клетка для совершения работы может использовать или энергию химических связей макроэргов, или энергию трансмембранных электрохимических градиентов.

3. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве 1 моля тиоэфирных связей в соединениях типа ацил-КоА в стандартных условиях. Ответ : 8,0 ккал/М.

4. Укажите значение калорического коэффициента для жиров. Ответ : 9,3 ккал/г.

5. Укажите, что называется "основным обменом". Ответ : Уровень энергозатрат дляподдержанияжизнедеятельности организма.

6. Укажите, чему равен уровень "основного обмена" для человека средней массы, выраженный в ккал/сутки. Ответ: Примерно 1800 к кал.

7. Назовите 5 способов разрыва химических связей в соединениях, наиболее широко представленных в биологических системах. Ответ: Гидролиз, фосфоролиз, тиолиз, липазное расщепление, окисление.

8. Назовите три основных класса соединений, поступающих из первой фазы катаболизма во вторую фазу. Ответ: Моносахариды, высшие жирные кислоты, аминокислоты.

9. Укажите, какой способ расщепления химических связей преобладает в третьей фазе катаболизма. Ответ : Окисление.

10.Объясните, что означает термин "конвергентный принцип организации катаболизма" в организме. Ответ :

11. Объясните, какие преимущества дает человеку конвергентный принцип организации катаболизма в его организме. Ответ:

12.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию окисления изоцитрата в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединений. Ответ

13. Укажите, каким образом осуществляется контроль направления потока метаболитов в цикле трикарбоновых кислотКребса.Ответ : Термодинамический контроль - за счет включения в метаболический путь двух реакций, сопровождающихся большом потерей свободной энергии.

14. Укажите 2 возможных пути пополнения пула промежуточных метаболитов цикла Кребса. Ответ: а) Поступление их из второй фазы катаболизма, б) Реакция карбоксилирования пирувата.

15.Укажите, в какой клеточной структуре локализованы цепи дыхательных ферментов. Ответ : Во внутренней мембране митохондрий.

16.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков электронов, входящих в состав IV комплексаглавнойдыхательной цепи. Ответ:

17. Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование". Ответ : Синтез АТФ с использованием энергии, выделяющейся в процессе биологического окисления

18. Укажите, какую роль белок F | вмеханизмеокислительногофосфорилирования в цепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ : Белок F | за счет протонов,движущихся по электрохимическомуградиенту, катализирует образование АТФ нз АДФ и неорганического фосфата.

19. Укажите, каков механизм действия соединений, вызывающих разобщение окисления и фосфорилирования вмитохондриях.Ответ : Эти соединения выступают в качестве переносчиков протонов через внутреннюю мембрану митохондрий в обход системы синтеза АТФ.

20.Укажите 2 возможных причины развития гипоксическнх гипоэнергетических состояний. Ответ : 2 любых варианта из 4 возможных: а) недостаточность кислорода во внешней среде; б) нарушение работы органов дыхания; в) нарушение кровообращения; г) нарушение способности гемоглобина крови переносить кислород .

21.Приведите 2 примера соединений, в обезвреживании которых принимает участие микросомальная системаокисления.Ответ : 2 любых примера ароматических карбоциклов (антрацен, бензантрацен, нафтацен, 3,4-бензпирен, метилхолантрен).

22.Объясните механизм защитного действия антиоксидантов типа витамина E или каротина. Ответ : Эти соединения принимают на себя лишний электрон с супероксидного анион-радикала, образуя менее реакционноспособную структуру из-за перераспределения электронной плотности по имеющейся в их структуре системе сопряженных двойных связей.

Вариант 2

1. Объясните, почему для химических процессов, протекающих в клетках, изменение энтальпии системы (Н) практически равно изменению общей энергии системы (Е).

Ответ: В биологически системах в ходе химических реакций не происходит изменений температуры или давления .

2. Укажите, какие химические реакции с точки зрения термодинамики могут идти самопроизвольно.Ответ : Самопроизвольно могут идти только экзэргонические химические реакции.

3. Приведите 2 примера макроэргических соединений из класса тиоэфиров. Ответ: Два любых конкретных ацил-КоА

Ответ: 10,3 ккал/М.

5. Укажите, какие изменения происходят с питательными веществами в первой фазе катаболизма. Ответ : Расщепление полимеров на мономеры.

6. Укажите, какая часть общей энергии питательных веществ выделяется во второй фазе катаоолизма. Ответ : 1/3 всей энергии .

7. Укажите, какие конечные продукты обмена образуются в третьей фазе катаболизма. Ответ : Вода, углекислый газ.

8. Напишите общую схему монооксигеназных реакций, идущих в клетках. Ответ: SH 2 + O 2 +КоН 2 -> S-OH + Ко окисленный + Н 2 О

Ответ:

10.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию окисления сукцината в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединений. Ответ:

11. Напишите суммарное уравнение цикла трикарбоновых кислот Кребса. Ответ: Ацетил-КоА + ЗНАД + + ФАД+ГДФ~Ф + 2Н: О-> СО 2 - ЗНАДН+Н + + ФАДН 2 + ГТФ

12.Укажите 2 соединения, являющиеся аллостерическими активаторами регуляторных ферментов цикла Кребса.Ответ: АДФ. AM Ф .

13.Дайте определение метаболического пути, известного под названием "главная цепь дыхательных ферментов митохондрий". Ответ: Метаболический путь, обеспечивающий перенос протонов и электроновсНАДН+ H 2 на кислород.

14. Назовите промежуточные переносчики главной дыхательной цепи, способные акцептировать атомы водорода или электроны из внешних источников. Ответ: Ко Q , цитохромС.

15. Укажите, какое количество свободной энергии выделяется в стандартных условиях при окислении 1 моля НАДН+Н" образованием 1 моля Н 2 О. Ответ : -52,6 ккал/М.

16. Объясните, что называется разобщением окисления и фосфорилирования. Ответ: Нарушение взаимосвязи между процессами окисления и фосфорилирования с превращением выделяющейся свободной энергии в теплоту.

17. Объясните значение термина "гипоэнергетическое состояние". Ответ: Недостаток энергии в клетке.

18. Назовите 2 цитохрома, принимающих участие в окислительных процессах, локализованных в мембранах эндоплазматической сети. Ответ: Цитохром b 5,цитохром P 450 .

19.Приведите схему цепи переносчиков электронов с участием цитохрома P 450 , функционирующую в мембранахэндоплазматическойсети. Ответ: fuck you

20.Назовите 2 соединения, в биосинтезе которых участвует микросомальная система окисления. Ответ: Адреналин (норадреналин). стероидные гормоны.

21.Укажите 2 возможных источника образования пероксидного анион-радикала в тканях. Ответ :

Вариант 3

1. Дайте объяснение термину "свободная энергия системы". Ответ: Свободная энергия - часть общей энергии системы, за счет которой можно совершить работу.

2. Укажите, почему эндэргонические реакции не могут идти самопроизвольно Ответ : Для протекания эндэргонических реакций необходим внешний источник энергии.

3. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве I моля пирофосфатных связей АТФ в стандартных условиях. Ответ : 7,3 ккал/моль.

4. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве макроэргической связи в 1 моле креатинфосфата в стандартных условиях. Ответ: 10,3 ккал/М.

5. Укажите величину суточной потребности человека в белках, выраженную в г/кг массы тела (норму ВОЗ). Ответ : 1 г/кг.

6. Укажите значение калорического коэффициента для белков при их расщеплении в организме человека Ответ : 4.1 ккал/г.

7. Укажите, какая часть общих энергозатрат человека покрывается за счет расщепления белков. Ответ: 15%.

8. Дайте определение понятия "катаболизм". Ответ: Совокупность процессов расщепления питательных веществ в организме.

9. Объясните, почему метаболические пути первой и второй фаз катаболизма называются специфическими путямикатаболизма.Ответ: В этих фазах катаболизма каждое соединение или группа родственных по структуре соединений распадаются с использованием различных метаболических путей.

10. Объясните, что означает термин "конвергентный принцип организации катаболизма" в организме. Ответ: По мере углубления расщепления питательных веществ количество промежуточных продуктов уменьшается.

11. Объясните, какие преимущества дает человеку конвергентный принцип организации катаболизма в егоорганизме.Ответ : а). Легкость перехода с одного типа питательных веществ на другой. б). Уменьшение количества ферментов на заключительном этапе катаболизма.

12.Укажите 5 признаков, по которым различаются процессы окисления, идущие в биологических объектах, и процессы окисления, идущие в абиогенной среде. Ответ: а)"Мягкие" условия, в которых идет процесс, б) Участие ферментов, в) Окисление идет преимущественно путем дегидрирования, г) Процесс многоступенчатый, д) Интенсивность процесса регулируется в соответ ствии с потребностями клетки в энергии.

13.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, суммарную реакцию превращения 2-оксоглутарата. в сукцинил-КоА с указанием всех участвующих в реакции соединений Ответ :

14. Назовите 2 реакции, являющиеся пунктами термодинамического контроля направления потока метаболитов в циклеКребса.Ответ : а) Цитратсинтазная реакция б) 2-оксоглутаратдегидрогеназная реакция.

15.Укажите 3 соединения, в структуре которых накапливается энергия, выделяющаяся при окислении ацетильных остатков в цикле Кребса. Ответ : НАДН+Н + , ФАДН 2 , ГТФ.

16.Назовите 2 промежуточных акцептора атомов водорода, поставляющих протоны и электроны в цепь дыхательных ферментов. Ответ: НАДН+Н + , ФАДН 2

17.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков протонов и электронов, входящих в состав 1 комплекса главной дыхательной цепи. Ответ :

18. Приведите формулу, с помощью которой можно рассчитать количество выделяющейся свободной энергии при переносе электронов, если известны значения редокс-потенциалов начальных и конечных пунктов цепи переноса электронов. Ответ : G " = - n х F х Е".

19.Укажите суть второго этапа превращения энергии, выделяющейся в цепи дыхательных ферментов, в энергию макроэргических связей АТФ в рамках хемоосмотической концепции сопряжения, предложенной Митчеллом. Ответ : Энергия трансмембранного протонного электрохимического градиента используется для образования макроэргическойсвязиАТФ.

20. Приведите 3 примера соединении, разобщающих процессы окисления и фосфорилирования в митохондриях. Ответ : Полихлорфенолы, полинитрофенолы, ацетилсалициловая кислота.

21.Укажите, какой способ окисления соединений реализуется преимущественно в ходе процессов микросомальногоокисления.Ответ : Оксигенирование.

22. Назовите 3 функции микросомального окисления. Ответ : а) Участие в катаболизме различных соединений. б) Участие в биосинтезах необходимых организму соединений, в) Детоксикация.

23.Укажите 3 возможных способа инактивации супероксидного анион-радикала. Ответ : а) Отдача лишнего электрона на цитохром С. б) Отдача лишнего электрона на соединение-антиоксидант (типа витамина Е, каротина и др.) в) Инактивация в ходе супероксиддисмутазной реакции.

24.Укажите 2 возможных источника образования пероксидного анион-радикала в тканях. Ответ: а) Образуется в реакциях аэробного дегидрирования б) Образуется в супероксиддисмутазной реакции.

25.Укажите 3 возможных способа инактивации пероксидного анион-радикала в клетках. Ответ : а) В ходе реакции, катализируемой каталазой, б) В ходе реакции, катализируемой глутатионпероксидазой. в) В ходе реакции, катализируемой пероксидазой

26.Укажите, какую роль могут играть процессы микросомального окисления в химическом канцерогенезе. Ответ: В ходе обезвреживания полициклических ароматических углеводородов образуются их эпоксиды, обладающие мутагенной активностью.

Вариант 4

1. Приведите уравнение, описывающее I закон термодинамики в форме,приемлемойдляописания термодинамики живых объектов Ответ: ∆ЕснстемыН+∆Есреды = 0 .

2. Объясните, что называется энергетическим сопряжением химических реакций. Ответ: Использование свободной энергии, выделяющейся в ходе экзэргонической реакции, для осуществления эндэргонической реакции.

3. Укажите тип макроэргической химической связи в соединениях класса полифосфатов нуклеозидов. Ответ: Фосфоангидридная или пирофосфатная связь.

4. Укажите, каков уровень суточных энергозатрат человека, занятого умственным трудом. Ответ : 2500 - 3000 ккал/сутки.

5. Укажите, какая часть общей энергии питательных веществ выделяется в первой фазе катаболизма. Ответ: до 3%.

6. Укажите, какие 5 способов разрыва химических связей питательных веществ используются во второй фазе катаболизма. Ответ : гидролиз, фосфоролиз, тиолиз, лиазное расщепление, окисление.

7. Укажите 3 соединения, в макроэргических связях которых аккумулируется энергия, выделяющаяся в третьей фазе катаболизма. Ответ : АТФ, ГТФ, сукцинил-КоА.

8. Напишите общую схему реакцийаэробногодегидрирования.Ответ: SH 2 + О2 -> S окисленный+ H 2 O 2

9. Напишите, используя структурныеформулыметаболитов,реакцию окисления малата цикла Кребса с указанием всех участвующих в нейсоединений.Ответ:

10.Укажите, за счет действия каких двух главных факторов осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов в цикле Кребса. Ответ: а) Изменение активности регуляторных ферментов б) Концентрация оксалоацетата и ацетил-КоА.

11.Назовите ферменты цикла Кребса, активность которых угнетается по аллостерическому механизму высокими концентрац АТФ. Ответ: Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа .

12.Назовите соединение, являющееся конечным акцептором электронов в цепи дыхательных ферментов. Ответ : Кислород.

13.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков электронов, входящих в состав III комплексаглавнойдыхательной цепи. Ответ:

14. Укажите значение разности редокс-потенциалов между началом и концом главной дыхательной цепи. Ответ: 1, 14в

15.Укажите суть первого этапа превращения энергии, выделяющейся в цепи дыхательных ферментов, в энергию макроэргических связей АТФ в рамках хемиосмотической концепции

сопряжения, предложенной Митчеллом, Ответ: Свободная энергия, выделяющаяся при работе цепи дыхательных ферментов, используется для формирования протонного электрохимического градиента относительно внутренней мембраны митохондрий .

16.Укажите, какую роль играет белок F 0 в механизме окислительногофосфорилированиявцепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ: Белок F 0 обеспечивает поступлениепротонов по электрохимическому градиенту в активный центр фермента АТФ-синтетазы.

17.Приведите 2 примера соединений, ингибирующих работу IV комплекса главнойцепидыхательныхферментов. Ответ: Цианид, угарный газ.

18.Укажите 2 возможных причины развития гипоксическнх гипоэнергетических состояний. Ответ: 2 любых варианта из 4 возможных: а) недостаточность кислорода во внешней среде; б) нарушение работы органов дыхания; в) нарушение кровообращения; г) нарушение способности гемоглобина крови переносить кислород.

Вариант 5

1. Приведите уравнение, описывающее II закон термодинамики в форме,приемлемойдляописания термодинамики жилых объектов.Ответ : Д S системы+ Д S среды > 0.

2. Укажите, при каком условии две сопряженных в энергетическом плане реакции могут идти самопроизвольно. Ответ : Две энергетически сопряженные реакции могут идти самопроизвольно, если суммарное изменение свободной энергии будет отрицательным

3. Приведите 2 примера макроэргических соединений из класса полифосфатов нуклеозидов. Ответ: Любые 2 из следующих: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ иди их бифосфатные аналоги

4. Назовите 2 конечных азотсодержащих продукта катаболизма белков в организме человека. Ответ : Два любых из следующих: аммиак, мочевина, креатинин.

5. Укажите, какие способы разрыва химических связей питательных веществ используются в первой фазе катаболизма. Ответ : Гидролиз, фосфоролиз.

6. Назовите 4 конечных продукта обмена веществ, образующихся во второй фазе катаболизма. Ответ : 4 соединения из далее указанных: вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, креатинин, мочевая кислота.

7. Объясните, почему метаболические пути третьей фазы катаболизма получили название общих путей катаболизма. Ответ: Эти метаболические пути одинаковы для распада любых питательных веществ.

8. Напишите один из вариантов общей схемы диоксигеназных реакций, встречающихся в клетках. Ответ : Один извариантов: a) R-CH=CH-R 2 + О 2 ->R1-C(O)H + R-C(O)H(альдегиды ) б ) SH2+ O2 -> HO-S-O Н -> S=0 + H2 О

9. Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию синтеза цитрата в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединении. Ответ :

10.Назовите 4 регуляторных фермента, принимающие участие в катализе парциальных реакций цикла Кребса.Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс, сукцинатдегидрогеназа .

11.Укажите 2 возможных пути пополнения пула промежуточных метаболитов цикла Кребса. Ответ : а) Поступление их из второй фазы катаболизма, б) Реакция карбоксилирования пирувата .

12.Укажите, в каком компартменте клетки локализован метаболон цикла трикарбоновых кислот. Ответ : В матриксе митохондрий.

13.Приведите названия IV ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ : Цитохром С - оксидазный комплекс

14.Напишите суммарную уравнение, описывающее работу главной цепи дыхательных ферментов. Ответ: НАДН+Н"+1/2О 2 -> НАД + + Н 2 О

15. Объясните, почему электроны и протоны с ряда окисляемых субстратов, таких как глутамат, изоцитрат, малат и др., переносятся на НАД + . Ответ : Значения редокс-потенциалов этих соединений меньше, чем у НАДН+Н + , поэтому электроны с этих соединений могут передаваться на НАД + по градиенту редокс-потенциала.

16.Приведите схему реакций окислительного фосфорилирования на уровне субстрата, имеющих место в цикле трикарбоновых кислот. Ответ

17.Приведите пример соединения, ингибирующего работу III комплекса главной цепи дыхательных ферментов. Ответ : Антимицин.

18.Укажите, в каких клеточных структурах локализованы преимущественно процессы микросомального окисления. Ответ : В мембранах эндоплазматической сети.

19.Укажите 3 возможных источника образования супероксидного анион-радикала в клетках. Ответ: а) При окислении Н b в MetHb . 6)Приодноэлектронном окислении KoQH 2 сотдачей электрона на молекулу кислорода в) При одноэлектронном окислении восстановленных флавинов. (Возможны другие варианты).

20.Напишите реакцию обезвреживания пероксида, катализируемую глутатионпероксидазой. Ответ: Н 2 О 2 + 2 Гл- S Н -> Гл- S - S -Гл + 2 Н 2 О

Вариант 6

1. Напишите уравнение, с помощью которого можно рассчитать изменение уровня свободной энергии в ходе той пли иной химической реакции в стандартных условиях.

Ответ : ∆ G =- 2,303xRxTx l gK равновесия

2. Приведите общую схему энергетического сопряжения двух параллельно идущих в живых объектах химических реакций Ответ :

3. Укажите, в чем состоит биологическая роль макроэргических соединений. Ответ : Аккумуляция свободной энергии, выделяющейся в ходе экзэргонических реакций, и обеспечение энергией эндэргонических реакций.

4. Укажите, какая часть обшей энергии питательных веществ выделяется в третьей фазе

катаболизма. Ответ : 2/3 .

5. Назовите 5 соединений, поступающих в цикл трикарбоновых кислот Кребса из второй фазы катаболизма. Ответ : Ацетил-КоА, оксалоацетат, 2-оксоглутарат, фумарат, сукцинил-КоА.

6. Укажите 3 способа окисления соединений, используемых в клетках. Ответ : Дегидрирование, оксигенирование, отнятие электронов.

7. Укажите 4 функции биологического окисления в организме. Ответ : а) Энергетическая функция. б) Пластическая функция, в) Детоксикация, г) Генерация восстановительных потенциалов.

8. Перечислите 3 функции цикла трикарбоновых кислот Кребса. Ответ : Энергетическая, пластическая, интеграционная.

9. Назовите ферменты цикла Кребса, активность которых угнетается по аллостерическому механизму высокими концентрациямиАТФ.Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа.

10. Назовите 3 промежуточных продукта цикла Кребса, используемых в качестве исходных субстратов для биосинтезов. Ответ : Оксалоацетат, 2-оксоглутарат, сукцинил-КоА

11.Приведите названия III ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ :Ко Q Н 2 ,цитохромС-оксидоредуктазныйкомплекс

12.Объясните, почему электроны и протоны при окислении ряда субстратов, таких как сукцинат, 3-фосфоглицерол и др., переносятся не на НАД + , а через флавопротеиды на KoQ.Ответ : Значения редокс-потенциалов этих соединений выше, чем у НАДН + H + , но меньше, чему KoQ, поэтому электроны с этих соединений могут передаваться по градиенту редокс-потенциала только на KoQ.

13.Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов". Ответ : Синтез АТФ за счет энергии, выделяющейся при движении электронов по цепи дыхательных ферментов .

14.Укажите, какую роль играет белок F 0 в механизме окислительногофосфорилированиявцепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ : Белок F 0 обеспечивает поступлениепротонов по электрохимическому градиенту в активныйцентр фермента АТФ-синтетазы .

15. Приведите классификацию гипоэнергетических состояний, в основу которой положена причина их возникновения. Ответ : а) Алиментарные. 6).Гипоксические. в) Гистотоксические. г). Комбинированные.

16.Приведите схему цепи переносчиков электронов с участием цитохрома P 450 , функционирующую в мембранахэндоплазматическойсети. Ответ :

17.Приведите уравнение реакции, катализируемой ферментом супероксиддисмутазой.

Ответ : О 2- + 0 2- + 2Н + -> Н 2 О 2 + О 2

Вариант 7

1. Объясните, почему живые объекты не могут использовать тепловую энергию для совершенияработы.Ответ : В биологических системах нет градиента температуры.

2. Укажите, по какому принципу химические связи в тех или иных соединениях относятся к связям макроэргическим.Ответ: Свободная энергия разрыва такой связи должна превышать 5 ккал/моль (равнозначно: > 21 кДж/М).

3. Назовите 4 класса макроэргических соединений. Ответ: Любые 4 варианта из следующих: полифосфаты нуклеозидов, карбонилфосфаты, тиоэфиры. гуанидинфосфаты, аминоациладенилаты, аминоацил-тРНК.

4. Укажите величину суточной потребности человека в липидах, выраженную в г/кг массы тела. Ответ : 1,5 г/кг.

5. Укажите значение калорического коэффициента для углеводов. Ответ : 4,1 ккал/г.

6. Укажите, какая часть общих энергозатрат человека покрывается за счет расщепления липидов. Ответ : 30%.

7. Укажите, какова биологическая роль первой фазы катаболизма. Ответ : Резкое уменьшение количества индивидуальных соединений, поступающих во вторую фазу.

8. Назовите 2 метаболических пути, относящиеся к третьей фазе катаболизма. Ответ : Цикл трикарбоновых кислот Кребса, главная цепь дыхательных ферментов.

9. Напишите общую схему реакций анаэробного дегидрирования. Ответ: SH 2 + X -> S окисленный + ХН 2

10.Дайте определение метаболического пути, известного под названием цикл трикарбоновых кислот Кребса. Ответ : Циклический путь взаимных превращений ди- и трикарбоновых кислот, в ходе которого ацетильный остаток окисляется до двух молекул СО2 .

11.Опишите с помощью структурных формул переход цитрата в изоцитрат с указанием всех участников процесса. Ответ :

12. Укажите ферменты цикла Кребса, активность которых аллостерически угнетается высокими концентрациямиНАДН+Н + .Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.

13.Напишите реакцию синтеза щавелево-уксусной кислоты из пирувата с указанием всех участниковпроцесса.Ответ :CH 2 -CO-COOH + CO 2 + АТФ ->СООН-СН 2 -СО-СООН+ АДФ+Ф.

14.Приведите общую схему главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ :

15.Приведите названия 1 ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ : НАДН+Н + , KoQ - оксидоредуктазный комплекс .

16.Укажите причину (движущую силу), заставляющую двигаться электроны по системе переносчиков главной дыхательной цепи. Ответ : Разность редокс-потенциалов между соединениями, находящимися в начале и в конце цепи дыхательных переносчиков .

17.Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование на уровне субстрата". Ответ : Синтез АТФ с использованием энергии, выделяющейся при окислении того или иного соединения .

18. Приведите 2 примера соединений, ингибирующих работу 1 комплекса главной цепи дыхательных ферментов. Ответ : Ротенон, амитал натрия.

19. Укажите 2 возможных причины развития гистотоксических гипоэнергетических состояний. Ответ : а) Блокирование работы цепи дыхательных ферментов, б) Разобщение окисления и фосфорилирования.

20.Назовите 2 соединения, в катаболизме которых участвует микросомальная система окисления. Ответ : Триптофан, фенилаланин.

Источником свободной Е в организмах гетеротрофов является распад питательных веществ , иначе говоря, катаболические процессы, протекающие в клетках и тканях. Катаболизм включает сотни хим. реакций, десятки метаболических путей. В то же время в организации катаболических процессов прослеживается определенная логика. Весь катаболизм пит. веществ в организме можно разделить на три этапа или, как принято называть, три фазы.

В первой фазе происходит расщепление полимерных молекул на мономеры: белки расщепляются до аминокислот, олиго и полисахариды на моносахариды и их производные, липиды на высшие жирные кислоты, глицерол, аминоспирты и др. В этой фазе нет окислительных процессов, преобладают гидролиз и фосфоролиз. Вся энергия рассеивается в виде теплоты. В этой фазе происходит резкое уменьшение числа соединений, которые поступают затем во вторую фазу катаболизма. Так, с разнообразными пищевыми продуктами в ЖКТ поступают миллионы различных белков и все они расщепляются до 20-25 АК.

Во второй фазе эти пять десятков соединений подвергаются дальнейшему расщеплению, так что на выходе из этой фазы остается всего пять соединений: ацетилКоА, сукцинилКоА, фумарат, оксало ацетат и 2оксоглутарат. Таким образом, продолжающееся во второй фазе расщепление питательных веществ сопровождается еще большей унификацией промежуточных продуктов. Катаболические процессы, идущие во второй фазе, носят смешанный характер, т.к. в ней идут и фосфоролиз, и лиазное расщепление, и тиолиз и окислительные реакции. В этой фазе катаболизма образуются все азотсодержащие конечные продукты катаболизма, а также часть СО2 и Н2О. Организация катаболических процессов заключается в том, что по мере углубления распада питательных веществ количество промежуточных продуктов метаболизма уменьшается. Такой принцип построения катаболических процессов получил название принцип конвергенции. Метаболические пути первой и второй фазы катаболизма обычно индивидуальны для отдельных соединений или групп родственных по структуре веществ одного класса. Поэтому метаболические пути первой и второй фазы катаболизма получили название специфических путей катаболизма. В то же время метаболические процессы третьей фазы катаболизма одинаковы вне зависимости от того, какое соединение расщепляется.

В связи с этим метаболические пути третьей фазы получили название общих путей катаболизма. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе катаболизма, в которой выделяется 2/3 всей свободной энергии, повышает адаптационные возможности живых организмов, т.к. позволяет сравнительно легко переключаться с одного типа питательных веществ на другой. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе позволяет также уменьшить количество различных ферментов, необходимых клеткам и тканям для переработки разных питательных веществ. Все это помогает организмам в борьбе за выживание и является результатом длительной эволюции живых организмов.пути третьей фазы катаболизма: цикл трикарбоновых кислот Кребса и цепь дыхательных ферментов

Q=∆Н + W

где: Q – теплоэнергия

ΔН – энтальпия

W – работа

Так, клетки, получая из внешней среды энергию в виде квантов света (фотосинтез) или химическую энергию органических и неорганических веществ, и запасая её в соединениях с высоким энергетическим потенциалом (АТФ), преобразуют её в электрическую или химическую, заключенную в молекуле. АТФ – главный переносчик химической энергии всех живых организмов. АТФ может передавать свою энергию другим биомолекулам, теряя концевую фосфатную группу, переходя в АДФ, то есть, совершая работу сократительных, двигательных аппаратов переноса вешеств через мембрану. В окружающую среду отдается бесполезная тепловая работа – растет энтропия окружающей среды (∆S).

Второй закон термодинамики

Система стремится к своей неупорядоченности. Это документируется ростом энтропии ΔS и выражается уравнением:

ΔH = ΔG + TΔS

где: ΔH – тепловая энергия,

ΔG – свободная энергия Гиббса,

Т – абсолютная температура.

Величина энтропии постоянна и имеет положительное минимальное значение. Это происходит благодаря тому, что повышение уровня энтропии в системе в процессе деградации питательных веществ компенсируется удалением конечных продуктов из системы и усилением биосинтетических процессов, и эта величина снижается до необходимых стационарных параметров.

Если прекращается обмен веществ, снижается энергия Гиббса системы, повышается энтропия (то есть качество энергии снижается), снижается энтальпия, которая характеризует меру теплового содержания системы. Она всегда стремится к минимуму и при его достижении организм погибает. Поэтому задача организма или биосистемы – высокий уровень энтальпии и свободной энергии. Система стремится поддерживать величину энтропии на более низком стационарном уровне.

Известно, что чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Так энтропия алмаза (0,57 э.е.) вдвое меньше энтропии графита (1,7 э.е.). Карбиды, бориды и другие очень твердые вещества характеризуются небольшой энтропией. Энтропия аморфного тела несколько больше энтропии кристаллического. Возрастание степени дисперсности системы также приводит к некоторому увеличению её энтропии.

Энтропия возрастает по мере усложнения молекулы вещества; так для газов N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 5 энтропия составляет соответственно 52,6; 73,4 и 85,0 э.е. Энтропия разветвленных углеводородов меньше энтропии неразветвленных. Энтропия циклоалкана меньше энтропии соответствующего ему алкена.

Рассмотрим более подробно факторы, необходимые для поддержания стационарного состояния. Для того, чтобы осуществлялся обмен веществ, то есть

субстрат S → Х ↔ Y → Р (конечные продукты деградации)

осуществление V 1, V 2, V 3 – const.

метаболизма

концентрация субстрата (S) должна обеспечивать насыщение фермента, катализирующего данное превращение. Эта реакция должна быть однонаправленной, создающей результирующий поток в сторону деградации субстрата. Такие реакции контролируют работу системы и являются её лимитирующими звеньями – они кинетически необратимы. Примером такой реакцией в организме может быть глюкокиназная реакция, идущая в сторону образования гл-6-фосфата из глюкозы в присутствии АТФ и Mg 2+ . Это лимитирующее звено гликолиза, которое определяет скорость процесса в целом.

Условия поддержания стационарного потока.

1.Заключительные стадии метаболизма должны быть кинетически необратимы (СО 2 Н 2 О);

2. Поскольку конечные продукты выводятся из организма, то энтропия в биосистеме поддерживается почти постоянной;

3. Постоянный приток питательных веществ и энергии – это только одно из условий поддержания стационарного состояния;

4. Наличие структурной организации, позволяющей поглощать и использовать питательные вещества и энергию.

Введение в обмен веществ. Принципы организации метаболизма.

Обмен веществ – можно определить как совокупность всех биоорганических реакций, катализируемых ферментами.

Межуточный обмен начинается с момента поступления питательных веществ в кровь и до момента выведения конечных продуктов обмена и обеспечивающих организм веществами и энергией, необходимыми для его жизнедеятельности.

Метаболизм представляет собой высоко интегрированный и целенаправленный процесс. Интеграция возможна благодаря существованию взаимосвязи между метаболизмами углеводов, белков и жиров и др. Взаимосвязь обеспечивается общим энергетическим снабжением, общими промежуточными метаболитами, на уровне которых происходит пересечение специфических метаболических процессов (гл-6-ф, ПВК, ацетил-КоА), общими метаболическими процессами (ЦТК, окислительное фосфорилирование). Интеграция возможна и благодаря взаимосвязи между тканями и органами. Интегрирующие системы включают нервную систему (центр обработки информации и принятия решения, при изменении условий); эндокринную систему (выработка гормонов, передающих информацию в клетку); сосудистую систему (служит для транспорта не только питательных веществ, но и гормонов).

Последовательность хода обмена веществ в организме позволяет выделить 4 этапа обмена веществ, то есть обмен веществ характеризуется динамичностью и стадийностью.

1 этап – на этом этапе подготавливается поступление питательных веществ во внутренние ткани организма в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Различают:

а) дистантное переваривание – например, расщепление белков под действием пепсина в полости желудка или трипсина в просвете кишечника.

б) пристеночное или мембранное – например, действие пептидаз, фиксированных на поверхности клеток слизистой кишечника;

в) внутриклеточное – например, в лизосомах переваривание под действием протеолитических ферментов.

Кроме ферментов макроорганизма в пищеварении участвуют и ферменты кишечной микрофлоры.

2 этап – резорбция – процессы всасывания питательных веществ через слизистую оболочку кишечника.

3 этап – межуточный обмен – ферментативные процессы синтеза и расщепления, регулируемые нейрогуморальным путем.

4 этап – выделение – экскреция продуктов обмена.