Hoofdstuk 5.

Elementen van de chemische thermodynamica

1. Organisatie van chemische reacties. Energiecycli

2. Grondbeginselen van de thermodynamica

3. Wetten van de thermodynamica

4. Inleiding tot het metabolisme Principes van de organisatie van het metabolisme. Concept van het proces van katabolisme en anabolisme.

5. Hiërarchie van metabolische regulatie

6. Energiemetabolisme. Wat is bio-energie?

7. Protonpotentieel.

8. Structurele kenmerken van ATP. De rol van macroergs in de stofwisseling.

9. Een idee van biologische oxidatie, de rol en typen ervan, enzymen en co-enzymen van dit proces ATP-synthesereacties. Oxidatie van energiesubstraten, dragers van elektronen en protonen. Generatie van protonpotentieel Oxidatieve fosforylatiecoëfficiënt. Mechanismen van de regulering ervan.

10. Manieren om zuurstof te gebruiken.

11. ATP-synthese.

12. Gemeenschappelijke metabolische routes. De tricarbonzuurcyclus is de amfibische essentie ervan: energiemetabolisme. Proton potentieel.

Biologisch belangrijke hoogenergetische verbindingen. Concept van biologische oxidatie. De rol van biologische oxidatie.

13. Oxidatie-reductiereacties. Wegen voor zuurstofgebruik: oxidase en oxygenase.

14. ATP-synthese. ATP-synthese door substraat en oxidatieve fosforylering.

Generatie van protonpotentieel. ATP-synthese als gevolg van protonpotentieel.

15. Situationele taken, theoretische taken en laboratoriumpraktijkwerk over het onderwerp “Biochemische thermodynamica”.

16. Energiemetabolisme en het algemene pad van katabolisme.

Biochemische thermodynamica– een tak van de biochemie die zich bezighoudt met de studie van energietransformaties die gepaard gaan met biochemische reacties. De fundamentele principes ervan helpen verklaren waarom sommige reacties optreden en andere niet. Niet-biologische systemen kunnen werk verrichten met behulp van thermische energie, terwijl biologische systemen op isotherme wijze werken en chemische energie gebruiken om levensprocessen uit te voeren.

De vitale activiteit van een organisme wordt bepaald door de eigenaardigheden van de organisatie van biologische structuren, metabolisme en energie, de overdracht van genetische informatie en regulerende mechanismen.

Schade aan een van deze schakels leidt tot de ontwikkeling van een pathologisch proces en ziekte. Kennis van de moleculaire mechanismen van het leven en hun aandoeningen vormt de basis voor het zoeken naar en het klinische gebruik van geneesmiddelen van verschillende biologische aard.

Organisatie van chemische reacties.

Ketens van chemische reacties vormen metabolische routes of cycli, die elk een specifieke functie vervullen. Het is gebruikelijk om onderscheid te maken tussen centrale en speciale metabolische routes. Centrale cycli zijn gebruikelijk bij de afbraak en synthese van basismacromoleculen. Ze lijken erg op elkaar in alle vertegenwoordigers van de levende wereld. Speciale cycli zijn kenmerkend voor de synthese en afbraak van individuele monomeren, macromoleculen, cofactoren, enz.

Energiecycli.

Door de verscheidenheid aan vormen van voeding en energieverbruik zijn levende organismen in de natuur nauw met elkaar verwant. De relatie in voeding en het gebruik van energiebronnen kan worden weergegeven in de vorm van unieke energiecycli van de levende natuur.

De belangrijkste componenten van deze cyclus:

De zon is een bron van buitenaardse energie,

Autotrofen die zonne-energie opvangen en koolhydraten en andere organische stoffen synthetiseren uit CO 2

Heterotrofen - dierlijke organismen die organisch materiaal en zuurstof consumeren die door planten worden geproduceerd

Fototrofen zijn planten die via fotosynthese zuurstof produceren.

Energieverliezen die verband houden met de levensactiviteit van alle organismen op aarde worden gecompenseerd door de energie van de zon. Benadrukt moet worden dat dierlijke en menselijke cellen sterk gereduceerde stoffen (koolhydraten, lipiden, eiwitten) gebruiken als energiemateriaal, d.w.z. waterstof bevatten. Waterstof is een energetisch waardevolle stof. De energie ervan wordt omgezet in de energie van chemische bindingen van ATP.

Het metabolisme van stoffen en energie vormt de basis van het leven van organismen en is een van de belangrijkste specifieke kenmerken van levende materie, die levend van niet-levend onderscheidt. De meest complexe regulatie van het metabolisme op verschillende niveaus wordt verzekerd door het werk van vele enzymsystemen; dit is de zelfregulatie van chemische transformaties.

Enzymen zijn zeer gespecialiseerde eiwitten die in de cel worden gesynthetiseerd uit eenvoudige bouwstenen: aminozuren. Metabolisme wordt uitgevoerd met de deelname van enkele honderden verschillende soorten enzymen. Enzym-gekatalyseerde reacties zorgen voor een opbrengst van 100% zonder de vorming van bijproducten. Elk enzym versnelt slechts een bepaalde keten van reacties van een bepaalde verbinding, zonder andere reacties te beïnvloeden met zijn (verbindings)deelname. Daarom kunnen veel reacties in een cel plaatsvinden zonder het gevaar dat de cel met bijproducten wordt besmet. Honderden reacties in cellen met de deelname van enzymen zijn georganiseerd in de vorm van opeenvolgende reacties - stationaire stroom.

Tijdens chemische transformaties vindt er een herstructurering plaats van de elektronische omhulsels van op elkaar inwerkende atomen, moleculen en ionen en vindt er een herverdeling van chemische bindingskrachten plaats, wat leidt tot het vrijkomen van energie (als het resultaat van de interactie de versterking van de bindingen tussen atomen, ionen is). en moleculen), of op absorptie (als deze bindingen zwakker worden). Daarom worden alle chemische reacties niet alleen gekenmerkt door diepgaande kwalitatieve veranderingen en strikt gedefinieerde stoichiometrische relaties tussen de hoeveelheden van de oorspronkelijke stoffen en de hoeveelheden die als resultaat van de reactie worden gevormd, maar ook door goed gedefinieerde energie-effecten.

Wetten van de thermodynamica

Eerste wet van de thermodynamica.

Het concept van de processen van katabolisme en anabolisme.

De reeks chemische transformaties van stoffen die in het lichaam plaatsvinden, vanaf het moment dat ze in het bloed terechtkomen en totdat de eindproducten van de stofwisseling uit het lichaam vrijkomen, wordt genoemd middelmatig metabolisme(tussentijdse uitwisseling). Het intermediaire metabolisme kan worden onderverdeeld in twee processen: katabolisme (dissimilatie) en anabolisme (assimilatie).

Katabolisme wordt de enzymatische afbraak van relatief grote organische moleculen genoemd, meestal in hogere organismen, via de oxidatieve route. Katabolisme gaat gepaard met het vrijkomen van energie vervat in de complexe structuren van organische moleculen en de opslag ervan in de vorm van de energie van fosfaatbindingen van ATP (exergonisch proces, met het vrijkomen van Gibbs-energie en opslag in de vorm van ATP).

Anabolisme is de enzymatische synthese van grote moleculaire cellulaire componenten, zoals polysachariden, nucleïnezuren, eiwitten en lipiden, die worden gekenmerkt door aanzienlijke Gibbs-energie en lage entropie, evenals de synthese van enkele biosynthetische voorlopers van eenvoudiger verbindingen, met sterkere bindingen (laag Gibbs energiewaarden en hoge waarden entropie - CO 2, NH 3, ureum, creatinine).

Anabole processen vinden gelijktijdig in cellen plaats en zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. In wezen moeten ze niet worden beschouwd als twee afzonderlijke processen, maar als twee kanten van een gemeenschappelijk proces: metabolisme, waarbij de transformatie van stoffen nauw verweven is met de transformatie van energie.

Katabolisme.

De afbraak van basisvoedingsstoffen in de cel is een reeks opeenvolgende enzymatische reacties die de drie hoofdfasen van katabolisme vormen (Hans Krebs) – dissimilatie.

Fase 1– grote organische moleculen vallen uiteen in hun samenstellende specifieke structurele blokken. Zo worden polysachariden afgebroken tot hexosen of pentosen, eiwitten tot aminozuren, nucleïnezuren tot nucleotiden en nucleosiden, lipiden tot vetzuren, glyceriden en andere stoffen.

De hoeveelheid energie die in dit stadium vrijkomt is klein: minder dan 1%.

Stage 2– er worden nog eenvoudiger moleculen gevormd en het aantal van hun typen wordt aanzienlijk verminderd. Het is belangrijk om te benadrukken dat hier producten worden gevormd die gemeenschappelijk zijn voor het metabolisme van verschillende stoffen - dit zijn als het ware knooppunten die verschillende metabolische routes met elkaar verbinden. Deze omvatten: pyruvaat – gevormd tijdens de afbraak van koolhydraten, lipiden en aminozuren; acetyl-CoA - combineert het katabolisme van vetzuren, koolhydraten, aminozuren.

Producten verkregen in de tweede fase van het katabolisme komen binnen 3e etappe, die bekend staat als de Krebs-cyclus - de tricarbonzuurcyclus (TCA), waarin terminale oxidatieprocessen plaatsvinden. Tijdens deze fase worden alle producten geoxideerd tot CO 2 en H 2 O. Bijna alle energie komt vrij in de 2e en 3e fase van het katabolisme.

Alle bovengenoemde stadia van katabolisme of dissimilatie, die bekend staan ​​als het ‘Krebs-schema’, weerspiegelen het meest nauwkeurig de belangrijkste principes van het metabolisme: convergentie en unificatie. Convergentie– de combinatie van verschillende metabolische processen die kenmerkend zijn voor individuele soorten stoffen, tot enkele processen die voor alle soorten gelden. Volgende fase - eenwording– een geleidelijke afname van het aantal deelnemers aan metabolische processen en het gebruik van universele metabolische producten bij metabolische reacties.

In de eerste fase is het principe van unificatie duidelijk zichtbaar: in plaats van veel complexe moleculen van zeer verschillende oorsprong worden vrij eenvoudige verbindingen gevormd in een hoeveelheid van 2-3 dozijn. Deze reacties vinden plaats in het maag-darmkanaal en gaan niet gepaard met het vrijkomen van grote hoeveelheden energie. Het wordt meestal afgevoerd als warmte en wordt niet voor andere doeleinden gebruikt. Het belang van de chemische reacties in de eerste fase is het voorbereiden van de voedingsstoffen op de daadwerkelijke vrijgave van energie.

In de tweede fase is het convergentieprincipe duidelijk zichtbaar: het samenvoegen van verschillende metabolische routes in één enkel kanaal, dat wil zeggen in de derde fase.

In de tweede fase komt ongeveer 30% van de energie uit de voedingsstoffen vrij. De resterende 60-70% van de energie komt vrij in de tricarbonzuurcyclus en het daarmee samenhangende terminale oxidatieproces. In het terminale oxidatiesysteem of de ademhalingsketen, dat gebaseerd is op oxidatieve fosforylering, bereikt de unificatie zijn hoogtepunt. Dehydrogenasen die de oxidatie van organische stoffen in de TCA-cyclus katalyseren, brengen alleen waterstof over naar de ademhalingsketen, die identieke transformaties ondergaat tijdens het proces van oxidatieve fosforylering.

Anabolisme.

Anabolisme doorloopt ook drie fasen. De uitgangsstoffen zijn de stoffen die transformaties ondergaan in de derde fase van het katabolisme. Stadium 3 van katabolisme is dus de beginfase van anabolisme. De reacties van deze fase hebben een dubbele functie: amfibool. Bijvoorbeeld eiwitsynthese uit aminozuren.

Fase 2 – vorming van aminozuren uit ketozuren bij transamineringsreacties.

Fase 3 – het combineren van aminozuren tot polypeptideketens.

Als gevolg van opeenvolgende reacties vindt ook de synthese van nucleïnezuren, lipiden en polysachariden plaats.

In de jaren 60-70 van de 20e eeuw werd het duidelijk dat anabolisme geen eenvoudige omkering van katabole reacties is. Dit komt door de chemische kenmerken van chemische reacties. Een aantal katabole reacties zijn vrijwel onomkeerbaar. Hun stroom in de tegenovergestelde richting wordt verhinderd door onoverkomelijke energiebarrières. In de loop van de evolutie werden bypass-reacties ontwikkeld waarbij energie uit hoogenergetische verbindingen werd verbruikt. De katabole en anabole routes verschillen in de regel in hun lokalisatie in de celstructurele regulatie.

Bijvoorbeeld: de oxidatie van vetzuren vindt plaats in de mitochondriën, terwijl de synthese van vetzuren wordt gekatalyseerd door een reeks enzymen die zich in het cytosol bevinden.

Het is vanwege verschillende lokalisatie dat katabole en anabole processen in de cel gelijktijdig kunnen plaatsvinden.

Principes van metabolische integratie

De metabolische routes zijn dus divers, maar in deze diversiteit ligt eenheid, wat een specifiek kenmerk van de stofwisseling is.

Deze eenheid ligt in het feit dat van bacteriën tot het goed georganiseerde weefsel van een hoger organisme de biochemische reacties identiek zijn. Een andere manifestatie van eenheid is het cyclische karakter van de belangrijkste stofwisselingsprocessen. Bijvoorbeeld tricarbonzuurcyclus, ureumcyclus, pentosecyclus. Blijkbaar bleken de tijdens de evolutie geselecteerde cyclische reacties optimaal te zijn voor het verzekeren van fysiologische functies.

Bij het analyseren van de organisatie van metabolische processen in het lichaam rijst natuurlijk de vraag: hoe wordt het onderhoud van processen bereikt in overeenstemming met de behoeften van het lichaam in verschillende perioden van zijn leven? Die. Hoe wordt ‘homeostase’ gehandhaafd (een concept dat voor het eerst werd geformuleerd door Cannon in 1929) in de context van voortdurend veranderende levenssituaties, dat wil zeggen: - wanneer de interne en externe omgeving verandert. Hierboven werd al vermeld dat de regulatie van de stofwisseling uiteindelijk neerkomt op het veranderen van de activiteit van enzymen. Tegelijkertijd kunnen we praten over een hiërarchie van metabolische regulatie.

Energie uitwisseling

Bio-energie – is een wetenschap die de energievoorziening van levende wezens bestudeert, met andere woorden, de transformatie van de energie van externe hulpbronnen in biologisch nuttig werk. De eerste fase van energieconversie is de bekrachtiging van het membraan - dit is de opwekking transmembraanverschil in het elektrochemische potentieel van waterstofionen of protonpotentieel (ΔμH +) en transmembraanverschil in het elektrochemische potentieel van natrium- of natriumpotentiaal (ΔμNa +).

Hoofdstuk 6.

Concept van biologische oxidatie

Biologische oxidatie is het geheel van alle redoxreacties die voorkomen in levende organismen.

Manieren om zuurstof te gebruiken

Zuurstof is een sterk oxidatiemiddel. De redoxpotentiaal van het zuurstof/water-paar bedraagt ​​+0,82 V. Zuurstof heeft een hoge affiniteit voor elektronen. Er zijn twee manieren om zuurstof in het lichaam te gebruiken: oxidase en oxygenase.

Oxidatie

Oxidase-route Oxygenase-route

compleet onvolledig

Oxidatie oxidatie

eindproduct monooxy-dioxy-peroxide

Genase-genase-oxidatie

H 2 O H 2 O Tweerichtingsverkeer

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

Oxidase route

De oxidaseroute voor het gebruik van zuurstof is gebaseerd op de dehydrogeneringsreactie, die resulteert in de eliminatie van 2 waterstofatomen (2H↔2H + +2ē) uit het geoxideerde substraat met daaropvolgende overdracht naar zuurstof.

Er zijn twee elektronenparen nodig om zuurstof volledig in water te reduceren.

(4ē). Tegelijkertijd wordt 2 ē toegevoegd aan ½ O 2.

2ē ½O 2 + 2ē OH -

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

Voor onvolledige reductie van zuurstof tot waterstofperoxide is één paar elektronen nodig (2 ē). Er wordt één elektron tegelijk toegevoegd.

O 2 + ē O 2 - superoxide-anionradicaal

O 2 + H + HO 2 peroxideradicaal

HO 2 + ē HO 2 - peroxide-ion

HO - 2 + H + H 2 O 2 waterstofperoxide

Oxygenase route

De oxygenase-route voor het gebruik van zuurstof is gebaseerd op de directe opname van zuurstof in het geoxideerde substraat, met de vorming van verbindingen met een of meer hydroxylgroepen of organische verbindingen met een peroxidegroep.

Mono-oxygenasen– enzymatische systemen die de opname van slechts één zuurstofatoom in het gemodificeerde substraat katalyseren, en het tweede zuurstofatoom wordt gereduceerd tot water in aanwezigheid van NADPH+H + als waterstofbron.

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

Dioxygenasen– enzymatische systemen die de opname van twee zuurstofatomen in het substraat katalyseren.

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

Gemeenschappelijke metabolische routes.

Acetyl-CoA is een centrale metaboliet voor de omzetting van glucose, vetzuren en sommige aminozuren.

OH OH

TPP – hydroxyethyl

In de tweede fase wordt het acylresidu geaccepteerd door co-enzym A (KoA-SH) en wordt acetyl-CoA gevormd. Translocatie van het acylresidu wordt gekatalyseerd door het tweede enzym van het complex - dihydrolipoyltransacetylase . De drager van het acylresidu is de prothetische groep van het enzym - liponzuur

(vitamine-achtige verbinding), die in twee vormen kan voorkomen: geoxideerd en gereduceerd.

(Hersteld formulier)

In de derde fase vindt oxidatie van de gereduceerde vorm van liponzuur plaats. De acceptor van twee waterstofatomen is het co-enzym NAD+. De oxidatiereactie wordt gekatalyseerd door een derde enzym: dihydrolipoyldehydrogenase, waarvan de prothetische groep FAD is.

NADH + H + voorziet de ademhalingsketen van 2H + en 2ē en zorgt voor de synthese van 3 mol ATP.

Regulatie van het pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDH)

De vorming van acetyl-CoA uit pyruvaat is een onomkeerbare reactie, aangezien ΔG = - 33,5 kJ/mol. De activiteit van het pyruvaatdehydrogenasecomplex wordt op verschillende manieren gereguleerd: allosterische regulatie en door omkeerbare fosforylering (covalente modificatie). [ATP] / [ADP] en ​​[NAD + ] / [NADH] zijn de belangrijkste signalen die de energiebehoefte van de cel weerspiegelen. PDH is actief in zijn gedefosforyleerde vorm. PDH-eiwitkinase zet het enzym om in een inactieve gefosforyleerde vorm, en fosfatase houdt PDH in een actieve gedefosforyleerde toestand. Wanneer de cel verzadigd is met ATP (de molaire verhouding [ATP]/[ADP] neemt toe), wordt proteïnekinase geactiveerd, wat PDH remt.

ATP is het verwijderde product van de oxidatieve decarboxyleringsreactie van PVK. Naast ATP activeren reactieproducten proteïnekinase: acetyl-CoA en NADH. Wanneer overtollige energie wordt geproduceerd, blokkeert het regulerende systeem de vorming van Acetyl-CoA en vermindert als gevolg daarvan de snelheid van de TCA-cyclus en de ATP-synthese.

Afb.6-1. Regulatie van proteïnekinasepyruvaatdecarboxylase-activiteit door

Tricarbonzuurcyclus

Deze cyclus wordt ook wel de Krebs-cyclus genoemd, ter ere van Hans Krebs (Nobelprijswinnaar 1953), die de volgorde van deze reacties bepaalde. De tricarbonzuurcyclus (TCA) - enerzijds is de laatste fase van het katabolisme van eiwitten, koolhydraten en lipiden, die gepaard gaat met de vorming van gereduceerde co-enzymen - universele energiesubstraten - FADH 2, NADPH + H +. De gereduceerde co-enzymen worden verder gebruikt door de mitochondriale elektronentransportketen om ATP uit ADP en PhN te genereren. Aan de andere kant zijn tussenproducten van de TCA-cyclus substraten voor de biosynthese van endogene eiwitsubstanties, koolhydraat- en lipideverbindingen en andere verbindingen.

Katabole functie van de TCA-cyclus.

De TCA-cyclus is een opeenvolging van 8 reacties, waardoor acetyl-CoA (actief azijnzuur) wordt geoxideerd tot twee moleculen CO 2, d.w.z. tot het eindproduct van de stofwisseling.

Acetyl-CoA is een acylgroep met twee koolstofatomen die wordt gekenmerkt door een zeer sterke C-C-binding. Directe splitsing van de C-C-binding in acetyl-CoA is een moeilijke chemische taak. In de natuur is er een veel voorkomende oplossing voor dergelijke problemen: dit is een cyclische transformatie. De TCA-cyclus begint met de condensatiereactie van acetyl-CoA met oxaalacetaat (OAA) om citraat (citroenzuur) te vormen en eindigt met de vorming van OAA tijdens de oxidatie van malaat, d.w.z. de cyclus sluit. Alle enzymen uit de TCA-cyclus zijn gelokaliseerd in de mitochondriale matrix en zijn oplosbare eiwitten. Een uitzondering is succinaatdehydrogenase, dat zich op het oppervlak van het binnenste mitochondriale membraan bevindt.

Condensatie reactie.

Acetyl-CoA + OAA + H 2 O → citraat + KoA-SH

De reactie wordt gekatalyseerd door een gereguleerd enzym - citraatsynthase. Dit is een onomkeerbare energie-afhankelijke reactie, aangezien ΔG = - 32,2 kJ/mol. De energiebron bij deze reactie is de energie van het verbreken van de thioesterbinding in het acetyl-CoA-molecuul.

Citraat is een tricarbonzuurhydroxyzuur. De hydroxylgroep bevindt zich op het tertiaire C-atoom.Naar analogie met tertiaire alcoholen oxideert citraat niet.

Isomerisatiereactie.

Als resultaat van deze reactie beweegt de hydroxogroep van de 3e naar de 2e positie van de citraatkoolstofketen en de vorming van een isomeer van citroenzuur - isocitraat. Aconitase, een enzym met absolute stereospecificiteit, katalyseert de opeenvolgende eliminatie van H2O en vervolgens de toevoeging ervan aan een andere positie.

Citraat → aconitaat → isocitraat

Isocitraat is een isomeer van citroenzuur, waarbij de OH-groep zich op het secundaire koolstofatoom bevindt. Naar analogie met secundaire alcoholen kan isocitraat oxidatie ondergaan om een ​​ketozuur te vormen.

Oxidatie reactie.

Succinaatfumaraat

FAD FADN 2

De reactie wordt gekatalyseerd door FAD-afhankelijke succinaatdehydrogenase.Het enzym heeft absolute stereospecificiteit. Het reactieproduct is fumaraat (trans-isomeer). Gereduceerd co-enzym FADH 2 voorziet de ademhalingsketen van 2H+ en 2ē voor de aanmaak van ATP

Hydratatie reactie

Fumaraat +H 2 O → malaat

De toevoeging van water aan fumaraat wordt gekatalyseerd door fumarase (de traditionele naam voor het enzym). Het reactieproduct is hydroxyzuur-malaat (appelzuur).

Oxidatie reactie.

Malaat OAA

NAD+NADH+H+

De reactie wordt gekatalyseerd door NAD+-afhankelijke malaatdehydrogenase.

OAA wordt opgenomen in de condensatiereactie met een nieuw acetyl-CoA-molecuul, d.w.z. De centrale verwarming gaat dicht. Het gereduceerde co-enzym NADH+H+ voorziet de ademhalingsketen van 2H+ en 2ē en is betrokken bij het proces van oxidatieve fosforylatie.

Stoichiometrie van TTC.

CH 3 -CO-S-KoA + 2H 2 O + ZNAD + + FAD + BBP + H 3 PO 4 → 2CO 2 + 3NADH + ZN + + FADH 2 , +GTP + KoA-SH, ΔG=-40,0 kJ/mol

Dus als resultaat van één omwenteling van de cyclus wordt KoA-SH gesplitst van acetyl-CoA en wordt het acetylresidu gesplitst in 2 moleculen CO 2. Dit metabolische proces gaat gepaard met:

De vorming van 4 gereduceerde co-enzymen: 3 moleculen NADH +H + en 1 molecuul FADH 2;

GTP + ADP → BBP + ATP

Energie-effect van TCA.

Door oxidatieve fosforylering:

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

ILB 2 → 2Н + en 2ē → CPE → 2ATP.

Als gevolg van substraatfosforylering - 1 ATP

Totaal: tijdens de oxidatie van 1 molecuul Acetyl-CoA worden, op voorwaarde dat oxidatiereacties gekoppeld zijn aan oxidatieve fosforylering, 12 ATP-moleculen gegenereerd.

Anabole functie van de TCA-cyclus.

CTK dient als bron van tussenproducten (intermediaire metabolieten), die substraten zijn voor veel biosynthesereacties.

1. Succinyl-CoA is een substraat voor de biosynthese van porfyrines . De introductie van een ijzerkation in porfyrine leidt tot de vorming van de heem-prothetische groep van hemoproteïnen (hemoglobine, myoglobine, catalase, cytochromen, enz.).

2. Citraat kan met behulp van dragereiwitten van de mitochondriale matrix naar het cytoplasma worden getransporteerd, waar onder invloed van het enzym citraatlyase gesplitst om cytosolisch acetyl-CoA te vormen - een substraat voor de synthese van cholesterol, IVH.

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

Z.OAA- met behulp van het malaat-aspartaat-shuttlemechanisme wordt het van de mitochondriale matrix naar het cytoplasma getransporteerd, waar het tijdens de transaminatiereactie wordt omgezet in aspartaat. kunnen op hun beurt worden omgezet in andere aminozuren en deelnemen aan de biosynthese van eiwitten. Aspartaat wordt ook gebruikt bij de synthese van stikstofbasen en is dus betrokken bij de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren. OAA (oxaalacetaat) in het cytoplasma kan decarboxylering ondergaan onder invloed van fosfoenolpyruvaatcarboxykinase in aanwezigheid van GTP met de vorming van PEP, een tussenliggende metaboliet die betrokken is bij de synthese van glucose (gluconeogenese).

4. α-ketoglutaraat komt het cytoplasma binnen, waar het wordt omgezet in glutamine, proline, histidine en arginine, die verder worden opgenomen in de synthese van eiwitten en andere biologisch belangrijke verbindingen. De TCA-cyclus is dus een amfibische cyclus.

Proton potentieel.

Het transmembraanverschil in het elektrochemische potentieel van het waterstofion, ΔμH + of protonpotentieel, neemt een centrale positie in in het systeem van energietransformatieprocessen die plaatsvinden in het binnenmembraan van mitochondriën. Vanwege de energie van externe hulpbronnen worden protonen door het biologische membraan getransporteerd, tegen de krachten van het elektrische veld in, in de richting van grotere concentratie, wat resulteert in het genereren van een elektrochemisch potentiaalverschil. ΔμH + bestaat uit 2 componenten: elektrisch in de vorm van een transmembraangradiënt van elektrische potentiëlen (Δφ) en chemisch, in de vorm van transmembraan waterstofionenconcentratie (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Potentiële energie geaccumuleerd in de vorm van Δφ en ΔрН kan op een nuttige manier worden gebruikt, met name bij de synthese van ATP.

De rol van ATP in het metabolisme

In biologische systemen wordt ATP voortdurend geproduceerd en voortdurend geconsumeerd. De ATP-omzet is erg hoog. Een persoon in rust verbruikt bijvoorbeeld ongeveer 40 kg ATP per dag. Energieverbruikende processen kunnen worden uitgevoerd onder de voorwaarde van constante regeneratie van ATP uit ADP. De ATP-ADP-cyclus is dus het belangrijkste mechanisme van energie-uitwisseling in biologische systemen.

ATP-synthese

De ATP-synthesereactie is de fosforyleringsreactie van ADP door anorganisch fosfaat (Figuur 6-1).

ADP + H 3 PO 4 → ATP + H 2 O .

Dit is een endergonische reactie, die alleen optreedt als er vrije energie van buitenaf wordt aangevoerd, aangezien ΔG = + 30,5 kJ/mol

(+ 7,3 kcal/mol). Bijgevolg kan ATP-synthese alleen plaatsvinden onder de voorwaarde van energetische koppeling met exergonische reacties. Afhankelijk van de bron van vrije energie zijn er twee manieren voor ATP-synthese: substraatfosforylering en oxidatieve fosforylering.

COUNT COUNT

ΔG= - 61,9 kJ/mol (- 14,8 kcal/mol).

Door het energierijke fosforzuurresidu van deze hoogenergetische verbindingen direct over te dragen naar ADP, wordt ATP gesynthetiseerd.

ΣPEP +ADP →PVK +ATP

Tot de hoogenergetische verbindingen behoren ook verbindingen met thioetherbindingen. Bijvoorbeeld succinyl~S-KoA. Wanneer de thioetherbinding wordt verbroken, komt er energie vrij, die wordt gebruikt voor de synthese van GTP (BBP + H 3 PO 4 → GTP + H 2 O). Succinyl~S-KoA + GDP +H 3 PO 4 → Succinaat + GTP + HS~CoA, ΔG=-35,5 kJ/mol.

Soorten vectoren

FMN + 2H + + 2ē ↔ FMNN 2

IJzer-zwavelcentra

Dit zijn eiwit-niet-heem-ijzerhoudende elektronendragers. Er zijn verschillende soorten ijzer-zwavelcentra: Fe-S, Fe 2 -S 2, Fe 4 -S 4. IJzeratomen van complexen kunnen elektronen doneren en accepteren, afwisselend in ferro-(Fe 2+) - en ferri-(Fe 3+) - voorwaarde. Alle ijzer-zwavelcentra doneren elektronen aan ubiquinon.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Ubiquinon, co-enzym-Q(KoQ) is de enige niet-eiwit-elektronendrager.

CoQ (chinon) CoQ (semichinon) CoQH 2 (hydrochinon)

Bij reductie verkrijgt ubiquinon niet alleen elektronen, maar ook protonen. Bij reductie met één elektron verandert het in semichinon, een organische vrije radicaal. Eo =+0,01

Cytochromen– eiwit-elektronendragers die heem-ijzer als prothetische groep bevatten. De werking van cytochromen is gebaseerd op een verandering in de oxidatietoestand van het ijzeratoom Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+. Verschillende cytochromen worden aangeduid met letterindexen: b, c 1, c, een, een 3. Cytochromen verschillen in de structuur van het eiwitgedeelte en de heemzijketens, en daarom hebben ze verschillende waarden van redoxpotentialen (oxidatie-reductiepotentialen). Cytochroom "b" E o= +0,08, “c i” E o = +0,22, “c” E o = +0,25,« aa z» Eo = +0,29. Onderscheidend kenmerk cytochroom Met is dat het losjes gebonden is aan het buitenoppervlak van het binnenste mitochondriale membraan en dit gemakkelijk verlaat.

Al deze elektronendragers kunnen worden gegroepeerd in vier enzymatische complexen, gestructureerd in het binnenmembraan van de mitochondriën, die een enzymatisch ensemble vertegenwoordigen dat “ademhalingsenzymen”, “cytochroomsysteem”, “CPE” (elektronentransportketen) wordt genoemd.

Complexe I – NADH-dehydrogenase (NADH-CoQ-reductase). Prothetische groepen - FMN, FeS. Elektronenacceptor – KoQ.

Complex III – CoQH 2-dehydrogenase (KoQH 2-cyt.c-reductase). Prothetische groepen: FeS, cytochromen b 1, b 2, c 1. Elektronenacceptor – cytochroom - p.

Complex IV – cytochroomoxidase. Prothetische groepen: cytochromen aa3, Cu 2+. Elektronenacceptor– zuurstof.

Complex II – succinaatdehydrogenase (succinaat-CoQ-reductase). Prothetische groepen FAD, FeS. Elektronenacceptor – KoQ.

Elektronen worden tussen complexen getransporteerd met behulp van mobiele providers -ubiquinon En cytochroom-c.

Redox-dragers in de CPE zijn gerangschikt in volgorde van toenemende standaard oxidatieve potentiëlen, wat zorgt voor het spontane transport van twee elektronen langs de ademhalingsketen van NADH + H + naar zuurstof, de uiteindelijke elektronenacceptor. De overdracht van twee elektronen langs de CPE is nuttig werk en gaat gepaard met een stapsgewijze vrijgave van Gibbs vrije energie (AG), die verder wordt gebruikt bij de synthese van ATP. aan het feit dat de elektronen die zuurstof reduceren zich op een lager energieniveau bevinden vergeleken met elektronen die worden aangetroffen in gereduceerd NADH + H + aan het begin van de keten.

H. Generatie van protonpotentieel ΔμН +

Hoe is het transport van elektronen langs de ademhalingsketen gekoppeld aan de transformatie van vrijgekomen elektrische energie in de energie van chemische bindingen van ATP? Deze vraag werd in 1961 beantwoord door de Engelse wetenschapper Peter Mitchell. Zijn concept was dat de drijvende kracht achter de synthese van ATP is elektrochemisch potentieel, protonpotentieel – ΔμH + . ΔμH + . = Δ pH+ Δ φ

pH is de protongradiënt, Δφ is het elektrische potentiaalverschil. In 1978

P. Mitchell kreeg de Nobelprijs en de chemiosmotische theorie werd algemeen aanvaard.

Volgens de theorie van P. Mitchell wordt de energie die geleidelijk vrijkomt tijdens het transport van elektronen langs de ademhalingsketen gebruikt om protonen uit de mitochondriale matrix naar de intermembrane ruimte te pompen. Transport van 2H+ van de mitochondriale matrix naar de intermembraanruimte creëert een protonconcentratiegradiënt - ΔрН en leidt tot het verschijnen van een negatieve lading op het membraanoppervlak vanuit de matrix en een positieve lading vanuit de intermembraanruimte, wat een elektrisch potentiaalverschil creëert - Δφ. De bron van protonen in de mitochondriale matrix is ​​NADH + H +, FADH 2, water. Het vermogen om protonpotentieel te genereren wordt geleverd door:

1) de ondoordringbaarheid van het binnenste mitochondriale membraan voor ionen in het algemeen en vooral voor protonen.

2) afzonderlijk transport van protonen en elektronen langs de ademhalingsketen. Dit wordt verzekerd door de aanwezigheid van 2 soorten dragers: alleen voor elektronen en voor elektronen en protonen tegelijk.

4. ATP-synthese als gevolg van protonpotentieel

Metabolisme en energie - een reeks processen van transformatie van stoffen en energie in levende organismen en de uitwisseling van stoffen en energie tussen het lichaam en de omgeving. Het metabolisme omvat 3 fasen: de opname van stoffen in het lichaam, het metabolisme of het tussenmetabolisme en de afgifte van uiteindelijke metabolische producten.

De belangrijkste functies van de stofwisseling zijn het winnen van energie uit de omgeving (in de vorm van chemische energie van organische stoffen), de transformatie van exogene stoffen in bouwstenen, de assemblage van eiwitten, nucleïnezuren, vetten uit bouwstenen, de synthese en vernietiging van die biomoleculen die nodig zijn om verschillende specifieke functies van deze cellen uit te voeren.

Er zijn twee kanten van de stofwisseling: anabolisme en katabolisme

Katabolisme is de enzymatische afbraak van hoogmoleculaire verbindingen tot hun samenstellende monomeren en de verdere afbraak van monomeren tot de eindproducten: kooldioxide, ammoniak, lactaat.

De belangrijkste reacties van katabolisme zijn oxidatiereacties die energie aan de cel leveren. Energie kan in twee vormen worden opgeslagen: ATP, NADPH + H - een waterstofdonor in reductiereacties tijdens de synthese van een aantal verbindingen.

Anabolisme is de enzymatische synthese van de belangrijkste macromoleculen van de cel, evenals de vorming van biologisch actieve verbindingen, waarvoor vrije energie nodig is (ATP, NADPH + H).

Verschillen tussen katabolisme en anabolisme. Katabolisme - afbraak, opslag van ATP. Anabolisme is de synthese maar consumptie van ATP. De paden zijn niet hetzelfde, het aantal reacties is anders. Ze verschillen in lokalisatie. Verschillende genetische en allosterische regulatie.

De belangrijkste energiebron voor mensen is de energie die is opgeslagen in de chemische bindingen van voedselproducten. Verhouding B:F:U = 1:1:4. Een mens haalt 55% van de energie uit koolhydraten, 15% uit eiwitten, 30% uit vetten (80% komt uit dierlijke vetten en 20% uit plantaardige vetten).

De dagelijkse menselijke behoefte aan energie bedraagt ​​3000 kcal. De dagelijkse behoefte aan energie van een persoon hangt af van: werk (tijdens zwaar lichamelijk werk is de basaalstofwisseling hoger), geslacht (bij vrouwen is de stofwisseling 6-10% lager), temperatuur (bij een stijging van de lichaamstemperatuur met één graad neemt de stofwisseling toe met 13%), leeftijd (met de leeftijd, vanaf 5 jaar, neemt de basaalstofwisseling af).

Per dag wordt er ongeveer 60 kg ATP gevormd en afgebroken in het lichaam. De ATP-ADP-cyclus is voortdurend in werking. Het omvat het gebruik van ATP voor verschillende soorten werk en de regeneratie van ATP door middel van katabole reacties.

De unificatie van voedingsstoffen vindt plaats in drie fasen.

I. Voorbereidende fase. Hoogmoleculaire verbindingen worden onder invloed van gastro-intestinale hydrolasen afgebroken tot monomeren. Komt voor in het maagdarmkanaal en de lysosomen. Geen energieleverancier (1%).

Fase II. Omzetting van monomeren in eenvoudige verbindingen - centrale metabolieten (PVC, acetyl CoA). Deze producten verbinden 3 soorten metabolisme, tot 2-3 seconden, verlopen in het cytoplasma, eindigen in de mitochondriën en leveren 20-30% van de anaëroob geleverde energie.

Fase III. Citroenzuurcyclus. Aërobe omstandigheden, volledige oxidatie van stoffen die met voedsel worden geleverd, maken een grote hoeveelheid energie vrij en accumuleren deze in ATP.

Anabole routes lopen uiteen

1e fase. Eiwitsynthese begint met de vorming van α-ketozuren.

Fase 2. Aminatie van α-ketozuren, waardoor AMK wordt verkregen.

Fase 3. Uit AMK worden eiwitten gevormd. 2 CO2

Algemeen pad van katabolisme. Na de vorming van PVC vindt de verdere afbraak van stoffen tot kooldioxide en water op dezelfde manier plaats in de algemene katabole route (CCP). OPC omvat de oxidatieve decarboxyleringsreacties van de PVA- en TCA-cyclus. OPC-reacties vinden plaats in de mitochondriale matrix en gereduceerde co-enzymen brengen waterstof over naar componenten van de ademhalingsketen. De katabole routes convergeren en gaan in de derde fase over in de TCA-cyclus.

In de eerste fase produceren eiwitten 20 AMK. In de tweede fase produceren 20 AMK's acetyl CoA en ammoniak. In de derde fase produceert de TCA koolstofdioxide, water en energie.

Metabolische routes zijn een reeks door enzym gekatalyseerde reacties waarbij een substraat wordt omgezet in een product. De belangrijkste (hoofd) metabolische routes zijn universeel en kenmerkend voor elke cel. Ze leveren energie, synthese van de belangrijkste biopolymeren van de cel. Accessoirebanen zijn minder universeel en kenmerkend voor bepaalde weefsels en organen. Synthese van belangrijke stoffen. Ze leveren energie in de vorm van NADPH+H.

De cyclus van tricarbonzuren werd in 1937 ontdekt door G. Krebs. Deze verloopt cyclisch in de mitochondriale matrix, bij elke omwenteling van de TCA-cyclus komen één acetylgroep en twee koolstofatomen binnen in de vorm van acetyl CoA, en bij elke omwenteling van de TCA-cyclus komen er één acetylgroep en twee koolstofatomen binnen in de vorm van acetyl CoA. revolutie 2 moleculen kooldioxide worden uit de cyclus verwijderd. Oxaalacetaat wordt niet geconsumeerd in de TCA-cyclus, omdat het regenereert.

Citraatisomerisatie - α-ketoglutaraat wordt geoxideerd tot succinyl CoA en koolstofdioxide.

De TCA-cyclus is een specifiek mechanisme voor de afbraak van acetylCoA in 2 soorten producten: koolstofdioxide - een product van volledige oxidatie, gereduceerde nucleotiden, waarvan de oxidatie de belangrijkste energiebron is.

Wanneer één molecuul acetylCoA wordt geoxideerd in de TCA-cyclus en het oxidatieve fosforylatiesysteem, worden 12 ATP-moleculen gevormd: 1ATP als gevolg van substraatfosforylering, 11ATP als gevolg van oxidatieve fosforylatie. Oxidatie-energie wordt geaccumuleerd in de vorm van gereduceerde nucleotiden en 1ATP. De brutovergelijking van de TCA-cyclus is AcetylCoA + 3NAD + FAD+ ADP+Pn+2H20 → 2CO2+ 3NAD+H + FADH2+ ATP + CoASH

De TCA-cyclus is de centrale metabolische route. Functies van de TCC: integrerend, energieopwekkend, anabool.

De relatie van het metabolisme op het niveau van de Krebs-cyclus.

Anabole functie van de TCA-cyclus. Metabolieten van de Krebs-cyclus worden gebruikt voor de synthese van verschillende stoffen: koolstofdioxide in carboxyleringsreacties, α-ketoglutaraat → glu, oxaalacetaat → glucose, succinaat → heem.

De TCA-cyclus speelt een rol in de processen van gluconeogenese, transaminatie, deaminering en lipogenese.

Regulatie van de TCA-cyclus. Regulerende enzymen: citraatsynthase, isocitraat DH, α-ketoglutaraat DH-complex.

Positieve allosterische effectoren van citraatsynthase zijn PIKE, acetylCoA, NAD, ADP.

Negatieve allosterische effectoren van citraatsynthase zijn ATP, citraat, NADH + H, vetzuren, een toename van de succinylCoA-concentratie boven normaal.

De werking van ATP is het verhogen van de Km voor acetylCoA. Naarmate de ATP-concentratie toeneemt, neemt de verzadiging van het acetylCoA-enzym af en als gevolg daarvan neemt de vorming van citraat af.

Positieve allosterische effectoren van isocitraat DH zijn ADP, NAD.

Negatieve allosterische effectoren van isocitraat DH zijn ATP, NADH + H.

De Krebs-cyclus wordt gereguleerd door feedback: ATP wordt geremd, ADP wordt geactiveerd. Hypo-energetische toestanden zijn omstandigheden waarin de ATP-synthese afneemt.

Weefselhypoxie als gevolg van: verminderde zuurstofconcentratie in de lucht, verstoring van het cardiovasculaire en ademhalingssysteem, bloedarmoede, hypovitaminose, vasten.

De rol van vitamines in de Krebs-cyclus - riboflavine (FAD) - co-enzym SDH, α-ketoglutaraat van het DG-complex, PP (NAD) - co-enzym MDH, IDH, α-ketoglutaraat van de DG, thiamine (TPF) - co-enzym α- ketoglutaraat van het DG-complex, pantotheenzuur (CoA): acetylCoA, succinylCoA.

Optie 1

1. Schrijf een thermodynamische vergelijking die de relatie weergeeft tussen veranderingen in vrije energie (G) en de totale energie van het systeem (E). Antwoord:

2. Geef aan welke twee soorten energie een cel kan gebruiken om arbeid te verrichten. Antwoord : Om werk uit te voeren kan een cel de energie van chemische bindingen van macroergs of de energie van transmembraan elektrochemische gradiënten gebruiken.

3. Geef de hoeveelheid vrije energie aan die vrijkomt wanneer 1 mol thioetherbindingen wordt verbroken in verbindingen van het acyl-CoA-type onder standaardomstandigheden . Antwoord : 8,0 kcal/M.

4. Voer de calorische coëfficiëntwaarde voor vetten in. Antwoord : 9,3 kcal/g.

5. Geef aan wat het ‘basismetabolisme’ wordt genoemd. Antwoord : Het niveau van energieverbruik om het functioneren van het lichaam in stand te houden.

6. Geef aan wat het niveau van de “basale stofwisseling” is voor een persoon met een gemiddeld gewicht, uitgedrukt in kcal/dag. Antwoord: Ongeveer 1800 k cal.

7. Noem 5 manieren om chemische bindingen te verbreken in verbindingen die het meest voorkomen in biologische systemen. Antwoord: Hydrolyse, fosforolyse, thiolyse, lipasesplitsing, oxidatie.

8. Noem de drie hoofdklassen van verbindingen die vanaf de eerste fase van het katabolisme de tweede fase ingaan. Antwoord: Monosachariden, hogere vetzuren, aminozuren.

9. Geef aan welke methode van splitsing van chemische bindingen de overhand heeft in de derde fase van het katabolisme. Antwoord : Oxidatie.

10. Leg uit wat de term ‘convergent principe van organisatie van katabolisme’ in het lichaam betekent. Antwoord :

11. Leg uit welke voordelen het convergente principe van het organiseren van katabolisme in zijn lichaam een ​​​​persoon biedt. Antwoord:

12.Schrijf met behulp van de structuurformules van metabolieten de oxidatiereactie van isocitraat in de Krebs-cyclus op, en geef alle verbindingen aan die bij de reactie betrokken zijn. Antwoord

13. Geef aan hoe de richting van de metabolietenstroom wordt geregeld in de Krebs-tricarbonzuurcyclus .Antwoord: Thermodynamische controle - vanwege de opname van twee reacties in de metabolische route, vergezeld van een groot verlies aan vrije energie.

14. Geef twee mogelijke manieren aan om de voorraad intermediaire metabolieten van de Krebs-cyclus aan te vullen. Antwoord: a) Hun intrede uit de tweede fase van het katabolisme, b) De carboxyleringsreactie van pyruvaat.

15. Geef aan in welke celstructuur de ketens van ademhalingsenzymen zijn gelokaliseerd. Antwoord : In het binnenmembraan van mitochondriën.

16. Teken een diagram dat de werking beschrijft van tussenliggende elektronendragers die deel uitmaken van complex IV van de belangrijkste ademhalingsketen. Antwoord:

17. Definieer de term "oxidatieve fosforylering". Antwoord : ATP-synthese met behulp van energie die vrijkomt tijdens biologische oxidatie

18. Geef de rol aan van eiwit F | in het mechanisme van oxidatieve fosforylering in de keten van ademhalingsenzymen volgens Mitchell. Antwoord : EiwitF | Omdat protonen langs de elektrochemische gradiënt bewegen, katalyseert het de vorming van ATP, ADP en anorganisch fosfaat.

19. Geef het werkingsmechanisme aan van verbindingen die de ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie in mitochondriën veroorzaken. Antwoord : Deze verbindingen fungeren als protondragers over het binnenste mitochondriale membraan, waarbij ze het ATP-synthesesysteem omzeilen.

20. Geef twee mogelijke redenen aan voor de ontwikkeling van hypoxische hypo-energetische toestanden. Antwoord : Er zijn twee van de vier mogelijke opties: a) gebrek aan zuurstof in de externe omgeving; b) verstoring van het ademhalingssysteem; c) stoornissen in de bloedsomloop; d) verminderd vermogen van bloedhemoglobine om zuurstof te transporteren.

21. Geef twee voorbeelden van verbindingen bij de neutralisatie waarvan het microsomale oxidatiesysteem deelneemt. Antwoord : Twee voorbeelden van aromatische koolstofcycli (antraceen, benzanthraceen, naftaceen, 3,4-benzpyreen, methylcholantreen).

22. Leg het mechanisme uit van de beschermende werking van antioxidanten zoals vitamine E of caroteen. Antwoord : Deze verbindingen accepteren een extra elektron van het superoxide-anionradicaal en vormen een minder reactieve structuur als gevolg van de herverdeling van de elektronendichtheid over het systeem van geconjugeerde dubbele bindingen dat in hun structuur aanwezig is.

Optie 2

1. Leg uit waarom voor chemische processen die in cellen plaatsvinden de verandering in de enthalpie van het systeem (H) vrijwel gelijk is aan de verandering in de totale energie van het systeem (E).

Antwoord: In biologische systemen treden tijdens chemische reacties geen veranderingen in temperatuur of druk op.

2. Geef aan welke chemische reacties vanuit het oogpunt van de thermodynamica spontaan kunnen optreden. Antwoord : Alleen exergonische chemische reacties kunnen spontaan optreden.

3. Geef 2 voorbeelden van hoogenergetische verbindingen uit de thioesterklasse. Antwoord: Elke twee specifieke acyl-CoA's

Antwoord: 10,3 kcal/M.

5. Geef aan welke veranderingen optreden met voedingsstoffen in de eerste fase van het katabolisme. Antwoord : Het splitsen van polymeren in monomeren.

6. Geef aan welk deel van de totale energie aan voedingsstoffen vrijkomt in de tweede fase van het kataoolisme. Antwoord : 1/3 van de totale energie.

7. Geef aan welke metabolische eindproducten worden gevormd in de derde fase van het katabolisme. Antwoord : Water, koolstofdioxide.

8. Schrijf een algemeen diagram van mono-oxygenasereacties die in cellen voorkomen. Antwoord: SCH2 + O2 +KOH 2 ->S-OH+ Co-geoxideerd + H 2 O

Antwoord:

10. Schrijf, met behulp van de structuurformules van metabolieten, de oxidatiereactie van succinaat in de Krebs-cyclus op, waarbij alle verbindingen worden aangegeven die bij de reactie betrokken zijn. Antwoord:

11. Schrijf de algemene vergelijking voor de Krebs-tricarbonzuurcyclus. Antwoord: Acetyl-CoA + ZNAD + + FAD+GDP~P + 2H: O->CO 2 - ZNADH+H + + FADH 2 + GTP

12. Geef 2 verbindingen aan die allosterische activatoren zijn van regulerende enzymen van de Krebs-cyclus. Antwoord: ADF.BEN.F.

13. Definieer de metabolische route die bekend staat als de hoofdketen van mitochondriale ademhalingsenzymen. Antwoord: Metabolische route die protonen en elektronen transporteert met NADH+H 2 voor zuurstof.

14. Noem tussenliggende dragers van de belangrijkste ademhalingsketen die waterstofatomen of elektronen uit externe bronnen kunnen accepteren. Antwoord: Co.Q, cytochroom C.

15. Geef aan hoeveel vrije energie er onder standaardomstandigheden vrijkomt tijdens de oxidatie van 1 mol NADH + H tot 1 mol H2O. Antwoord : -52,6 kcal/M.

16. Leg uit wat de ontkoppeling van oxidatie en fosforylering wordt genoemd. Antwoord: Verstoring van de relatie tussen de processen van oxidatie en fosforylatie met de omzetting van vrijgekomen vrije energie in warmte.

17. Leg de betekenis uit van de term ‘hypo-energetische toestand’. Antwoord: Gebrek aan energie in de cel.

18. Noem 2 cytochromen die deelnemen aan oxidatieve processen gelokaliseerd in de membranen van het endoplasmatisch reticulum. Antwoord: CytochroomB5, cytochroomP 450 .

19. Geef een diagram van de keten van elektronentransporteurs met deelname van cytochroom P 450, functionerend in de membranen van het endoplasmatisch reticulum. Antwoord: fuck you

20. Noem 2 verbindingen bij de biosynthese waarbij het microsomale oxidatiesysteem betrokken is. Antwoord: Adrenaline (noradrenaline). steroïde hormonen.

21. Geef twee mogelijke bronnen aan voor de vorming van peroxideradicaalanionen in weefsels. Antwoord :

Optie 3

1. Geef een uitleg van de term “vrije energie van het systeem”. Antwoord: Vrije energie maakt deel uit van de totale energie van het systeem, waardoor er arbeid kan worden verricht.

2. Geef aan waarom endergonische reacties niet spontaan kunnen optreden Antwoord : Om endergonische reacties te laten plaatsvinden, is een externe energiebron vereist.

3. Geef aan hoeveel vrije energie vrijkomt als 1 mol ATP-pyrofosfaatbindingen onder standaardomstandigheden wordt verbroken. Antwoord : 7,3 kcal/mol.

4. Geef aan hoeveel vrije energie vrijkomt wanneer een hoogenergetische binding wordt verbroken in 1 mol creatinefosfaat onder standaardomstandigheden. Antwoord: 10,3 kcal/M.

5. Geef de dagelijkse menselijke eiwitbehoefte aan, uitgedrukt in g/kg lichaamsgewicht (WHO-norm). Antwoord : 1 g/kg.

6. Geef de waarde aan van de calorische coëfficiënt voor eiwitten tijdens hun afbraak in het menselijk lichaam Antwoord : 4,1 kcal/g.

7. Geef aan welk deel van iemands totale energieverbruik wordt gedekt door de afbraak van eiwitten. Antwoord: 15%.

8. Definieer het concept van "katabolisme". Antwoord : De reeks processen die voedingsstoffen in het lichaam afbreken.

9. Leg uit waarom de metabolische routes van de eerste en tweede fase van het katabolisme specifieke katabole routes worden genoemd. Antwoord: Tijdens deze fasen van het katabolisme wordt elke verbinding of groep structureel verwante verbindingen afgebroken met behulp van verschillende metabolische routes.

10. Leg uit wat de term ‘convergent principe van organisatie van katabolisme’ in het lichaam betekent. Antwoord: Naarmate de afbraak van voedingsstoffen zich verdiept, neemt het aantal tussenproducten af.

11. Leg uit welke voordelen het convergente principe van het organiseren van katabolisme in zijn lichaam een ​​​​persoon biedt. Antwoord : A). Gemakkelijk overstappen van het ene type voedingsstof naar het andere. B). Vermindering van het aantal enzymen in de laatste fase van het katabolisme.

12. Geef vijf kenmerken aan die onderscheid maken tussen oxidatieprocessen die plaatsvinden in biologische objecten en oxidatieprocessen die plaatsvinden in een abiogene omgeving. Antwoord: a) “Milde” omstandigheden waarin het proces plaatsvindt, b) Deelname van enzymen, c) Oxidatie vindt voornamelijk plaats door dehydrogenering, d) Het proces bestaat uit meerdere fasen, e) De intensiteit van het proces wordt geregeld volgens antwoord het voldoen aan de energiebehoeften van de cel.

13. Schrijf, met behulp van de structuurformules van de metabolieten, de totale reactie van de omzetting van 2-oxoglutaraat. in succinyl-CoA, wat alle verbindingen aangeeft die bij de reactie betrokken zijn Antwoord :

14. Noem 2 reacties die punten zijn van thermodynamische controle over de richting van de stroom van metabolieten in de Krebs-cyclus. Antwoord : a) Citraatsynthasereactie b) 2-oxoglutaraatdehydrogenasereactie.

15.Geef 3 verbindingen aan in de structuur waarvan energie wordt geaccumuleerd, die vrijkomt tijdens de oxidatie van acetylresiduen in de Krebs-cyclus. Antwoord : NADH+H+, FADH2, GTP.

16.Noem 2 tussenliggende acceptoren van waterstofatomen die protonen en elektronen leveren aan de keten van ademhalingsenzymen. Antwoord: NADH+H+, FADH2

17. Teken een diagram dat de werking beschrijft van tussenliggende proton- en elektronendragers die deel uitmaken van complex 1 van de belangrijkste ademhalingsketen. Antwoord :

18. Geef een formule waarmee je de hoeveelheid vrije energie kunt berekenen die vrijkomt bij elektronenoverdracht als de waarden van de redoxpotentialen van de begin- en eindpunten van de elektronenoverdrachtsketen bekend zijn. Antwoord : G" = - NXFxE".

19. Geef de essentie aan van de tweede fase van de omzetting van de energie die vrijkomt in de keten van ademhalingsenzymen in de energie van macro-erge bindingen van ATP binnen het raamwerk van het chemo-osmotische concept van conjugatie voorgesteld door Mitchell. Antwoord : Er wordt gebruik gemaakt van de energie van de elektrochemische gradiënt van het transmembraanprotonvoor de vorming van een hoogenergetische ATP-binding.

20. Geef drie voorbeelden van verbindingen die de processen van oxidatie en fosforylering in de mitochondriën scheiden. Antwoord : Polychloorfenolen, polynitrofenolen, acetylsalicylzuur.

21. Geef aan welke methode van oxidatie van verbindingen vooral tot stand komt tijdens de processen van microsomale oxidatie. Antwoord : Zuurstofvoorziening.

22. Noem 3 functies van microsomale oxidatie. Antwoord : a) Deelname aan het katabolisme van verschillende verbindingen. b) Deelname aan de biosynthese van verbindingen die nodig zijn voor het lichaam, c) Ontgifting.

23. Noem 3 mogelijke manieren om het superoxide-anionradicaal te inactiveren. Antwoord : a) Donatie van een extra elektron aan cytochroom C. b) Donatie van een extra elektron aan een antioxidantverbinding (zoals vitamine E, caroteen, enz.) c) Inactivatie tijdens de superoxide-dismutasereactie.

24. Geef twee mogelijke bronnen aan voor de vorming van peroxideradicaalanionen in weefsels. Antwoord: a) Gevormd bij aërobe dehydrogeneringsreacties. b) Gevormd bij de superoxide-dismutasereactie.

25. Noem 3 mogelijke manieren om het peroxide-anionradicaal in cellen te inactiveren. Antwoord : a) Tijdens een reactie gekatalyseerd door catalase, b) Tijdens een reactie gekatalyseerd door glutathionperoxidase. c) Tijdens een reactie gekatalyseerd door peroxidase

26. Geef aan welke rol microsomale oxidatieprocessen kunnen spelen bij chemische carcinogenese. Antwoord: Tijdens de neutralisatie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen worden hun epoxiden gevormd, die mutagene activiteit hebben.

Optie 4

1. Geef een vergelijking die de eerste wet van de thermodynamica beschrijft in een vorm die acceptabel is voor het beschrijven van de thermodynamica van levende objecten Antwoord: ∆EsnstemsN+∆Eenomgeving = 0.

2. Leg uit wat energiekoppeling van chemische reacties wordt genoemd. Antwoord: Het gebruik van vrije energie die vrijkomt tijdens een exergonische reactie om een ​​endergonische reactie uit te voeren.

3. Geef het type hoogenergetische chemische binding aan in verbindingen van de klasse van nucleosidepolyfosfaten. Antwoord: Fosfoanhydride- of pyrofosfaatbinding.

4. Geef het niveau aan van het dagelijkse energieverbruik van een persoon die zich bezighoudt met mentaal werk. Antwoord : 2500 - 3000 kcal/dag.

5. Geef aan welk deel van de totale energie aan voedingsstoffen vrijkomt in de eerste fase van het katabolisme. Antwoord: tot 3%.

6. Geef aan welke 5 methoden voor het verbreken van chemische bindingen van voedingsstoffen worden gebruikt in de tweede fase van het katabolisme. Antwoord : hydrolyse, fosforolyse, thiolyse, lyasesplitsing, oxidatie.

7. Geef 3 verbindingen aan waarin de macro-erge bindingen de energie verzamelen die vrijkomt in de derde fase van het katabolisme. Antwoord : ATP, GTP, succinyl-CoA.

8. Schrijf een algemeen schema voor de aërobe dehydrogeneringsreactie. Antwoord: SH 2+ O2 ->Sgeoxideerd+H2 O2

9. Schrijf, met behulp van de structuurformules van metabolieten, de oxidatiereactie van malaat in de Krebs-cyclus, met vermelding van alle verbindingen die daarbij betrokken zijn. Antwoord:

10. Geef aan vanwege de werking van welke twee hoofdfactoren de intensiteit van de stroom van metabolieten in de Krebs-cyclus wordt gereguleerd. Antwoord: a) Verandering in de activiteit van regulerende enzymen b) Concentratie van oxaalacetaat en acetyl-CoA.

11. Noem de enzymen van de Krebs-cyclus, waarvan de activiteit wordt geremd door een allosterisch mechanisme door hoge concentraties ATP. Antwoord: Citraatsynthase, isocitraatdehydrogenase.

12. Noem de verbinding die de laatste elektronenacceptor is in de keten van ademhalingsenzymen. Antwoord : Zuurstof.

13. Teken een diagram dat de werking beschrijft van tussenliggende elektronendragers die deel uitmaken van complex III van de belangrijkste ademhalingsketen. Antwoord:

14. Geef de waarde aan van het redoxpotentiaalverschil tussen het begin en het einde van de hoofdademhalingsketen. Antwoord: 1, 14v

15. Geef de essentie aan van de eerste fase van de omzetting van de energie die vrijkomt in de keten van ademhalingsenzymen in de energie van macro-erge bindingen van ATP binnen het raamwerk van het chemiosmotische concept

koppeling voorgesteld door Mitchell, Antwoord: De vrije energie die vrijkomt tijdens de werking van de ademhalingsenzymketen wordt gebruikt om een ​​proton-elektrochemische gradiënt te vormen ten opzichte van het binnenste mitochondriale membraan.

16. Geef aan welke rol het F0-eiwit speelt in het mechanisme van oxidatieve fosforylatie in de keten van ademhalingsenzymen volgens Mitchell. Antwoord: EiwitF 0 zorgt voor de stroom van protonen langs de elektrochemische gradiënt naar het actieve centrumATP-synthetase-enzym.

17. Geef twee voorbeelden van verbindingen die de werking van complex IV van de hoofdketen van ademhalingsenzymen remmen. Antwoord: Cyanide, koolmonoxide.

18. Geef twee mogelijke redenen aan voor de ontwikkeling van hypoxische hypo-energetische toestanden. Antwoord: Er zijn twee van de vier mogelijke opties: a) gebrek aan zuurstof in de externe omgeving; b) verstoring van het ademhalingssysteem; c) stoornissen in de bloedsomloop; d) verslechtering van het vermogen van bloedhemoglobine om zuurstof te transporteren.

Optie 5

1. Geef een vergelijking die de II-wet van de thermodynamica beschrijft in een vorm die acceptabel is voor het beschrijven van de thermodynamica van woongebouwen. Antwoord : DSsystemen+ DSomgeving > 0.

2. Geef aan onder welke voorwaarde twee energetisch gekoppelde reacties spontaan kunnen verlopen. Antwoord : Twee energetisch gekoppelde reacties kunnen spontaan verlopen als de totale verandering in vrije energie negatief is

3. Geef 2 voorbeelden van hoogenergetische verbindingen uit de klasse van nucleosidepolyfosfaten. Antwoord: Eén van de twee volgende: ATP, GTP, CTP, UTP of hun bifosfaatanalogen

4. Noem twee uiteindelijke stikstofhoudende producten van het eiwitkatabolisme in het menselijk lichaam. Antwoord : Twee van de volgende: ammoniak, ureum, creatinine.

5. Geef aan welke methoden voor het verbreken van chemische bindingen van voedingsstoffen worden gebruikt in de eerste fase van het katabolisme. Antwoord : Hydrolyse, fosforolyse.

6. Noem 4 eindproducten van het metabolisme die gevormd worden in de tweede fase van het katabolisme. Antwoord : 4 verbindingen uit de volgende: water, kooldioxide, ammoniak, ureum, creatinine, urinezuur.

7. Leg uit waarom de metabolische routes van de derde fase van het katabolisme algemene katabole routes worden genoemd. Antwoord: Deze metabolische routes zijn hetzelfde voor de afbraak van voedingsstoffen.

8. Schrijf een van de versies van het algemene schema van dioxygenasereacties die in cellen voorkomen. Antwoord : Een van de opties: a) R-CH=CH-R2+OVER 2 ->R1-C(O)H + R-C(O)H(aldehyden) B) SH2+ O2 -> HO-S-ON-> S=0 + H2OVER

9. Schrijf, met behulp van de structuurformules van metabolieten, de reactie van de citraatsynthese in de Krebs-cyclus, met vermelding van alle verbindingen die bij de reactie betrokken zijn. Antwoord :

10. Noem 4 regulerende enzymen die deelnemen aan de katalyse van partiële reacties van de Krebs-cyclus. Antwoord : Citraatsynthase, isocitraatdehydrogenase, 2-oxoglutaraatdehydrogenasecomplex, succinaatdehydrogenase.

11. Geef twee mogelijke manieren aan om de voorraad intermediaire metabolieten van de Krebs-cyclus aan te vullen. Antwoord : a) Hun intrede uit de tweede fase van het katabolisme, b) De carboxyleringsreactie van pyruvaat.

12. Geef aan in welk celcompartiment het metabolon van de tricarbonzuurcyclus gelokaliseerd is. Antwoord : In de mitochondriale matrix.

13. Geef de namen van het IV-enzymcomplex uit de belangrijkste ademhalingsketen van de mitochondriën. Antwoord : Cytochroom C- oxidase-complex

14.Schrijf een samenvattende vergelijking die de werking van de hoofdketen van ademhalingsenzymen beschrijft. Antwoord: NADH+H"+1/2O 2 -> NAD++H 2 O

15. Leg uit waarom elektronen en protonen uit een aantal oxideerbare substraten, zoals glutamaat, isocitraat, malaat, enz., worden overgebracht naar NAD +. Antwoord : De redoxpotentialen van deze verbindingen zijn kleiner dan die van NADH+H +, dus elektronen van deze verbindingen kunnen langs de redoxpotentiaalgradiënt naar NAD + worden overgedragen.

16. Geef een diagram van oxidatieve fosforyleringsreacties op substraatniveau die plaatsvinden in de tricarbonzuurcyclus. Antwoord

17. Geef een voorbeeld van een verbinding die de werking van complex III van de hoofdketen van ademhalingsenzymen remt. Antwoord : Antimycine.

18.Geef aan in welke cellulaire structuren de processen van microsomale oxidatie voornamelijk gelokaliseerd zijn. Antwoord : In de membranen van het endoplasmatisch reticulum.

19. Geef drie mogelijke bronnen aan voor de vorming van superoxide-anionradicaal in cellen. Antwoord: a) Tijdens de oxidatie van HBVMetHb. 6) Oxidatie met één elektronKoQH 2 donatie van een elektron aan een zuurstofmolecuul c) Tijdens één-elektronoxidatie van gereduceerde flavines. (Andere opties zijn mogelijk).

20. Schrijf de reactie van peroxide-neutralisatie gekatalyseerd door glutathionperoxidase. Antwoord: H 2 O 2 + 2 Gl-SN -> Gl-S- S-GL + 2H2O

Optie 6

1. Schrijf een vergelijking die kan worden gebruikt om de verandering in het niveau van vrije energie tijdens een bepaalde chemische reactie onder standaardomstandigheden te berekenen.

Antwoord : ∆ G =- 2.303xRxTxlgKevenwicht

2. Geef een algemeen diagram van de energiekoppeling van twee chemische reacties die parallel plaatsvinden in levende objecten Antwoord :

3. Geef de biologische rol aan van hoogenergetische verbindingen. Antwoord : Accumulatie van vrije energie die vrijkomt tijdens exergonische reacties en het leveren van energie voor endergonische reacties.

4. Geef aan welk deel van de totale voedingsenergie vrijkomt in de derde fase

katabolisme. Antwoord : 2/3 .

5. Noem 5 verbindingen die de Krebs-tricarbonzuurcyclus binnenkomen vanaf de tweede fase van het katabolisme. Antwoord : Acetyl-CoA, oxaalacetaat, 2-oxoglutaraat, fumaraat, succinyl-CoA.

6. Noem drie manieren waarop verbindingen die in cellen worden gebruikt, worden geoxideerd. Antwoord : Dehydrogenering, oxygenatie, elektronenverwijdering.

7. Noem 4 functies van biologische oxidatie in het lichaam. Antwoord : a) Energiefunctie. b) Plastische functie, c) Ontgifting, d) Generatie van herstelpotentieel.

8. Noem 3 functies van de Krebs-tricarbonzuurcyclus. Antwoord : Energie, plastic, integratie.

9. Noem de enzymen van de Krebs-cyclus, waarvan de activiteit wordt geremd door een allosterisch mechanisme door hoge concentraties ATP. Antwoord : Citraatsynthase, isocitraatdehydrogenase.

10. Noem 3 tussenproducten van de Krebs-cyclus die worden gebruikt als initiële substraten voor biosyntheses. Antwoord : Oxaalacetaat, 2-oxoglutaraat, succinyl-CoA

11. Geef de namen van enzymcomplex III uit de belangrijkste ademhalingsketen van de mitochondriën. Antwoord :Co.QH2, cytochroom C-oxidoreductasecomplex

12. Leg uit waarom elektronen en protonen tijdens de oxidatie van een aantal substraten, zoals succinaat, 3-fosfoglycerol, etc., niet worden overgedragen naar NAD+, maar via flavoproteïnen naar KoQ. Antwoord : De redoxpotentialen van deze verbindingen zijn hoger dan die van NADH+H + , maar minder danKoQ,daarom kunnen elektronen van deze verbindingen alleen langs de redoxpotentiaalgradiënt worden overgedragenKoQ.

13. Definieer de term ‘oxidatieve fosforylatie in de keten van ademhalingsenzymen’. Antwoord : ATP-synthese als gevolg van de energie die vrijkomt tijdens de beweging van elektronen langs de keten van ademhalingsenzymen.

14. Geef aan welke rol het F0-eiwit speelt in het mechanisme van oxidatieve fosforylatie in de keten van ademhalingsenzymen volgens Mitchell. Antwoord : EiwitF 0 zorgt voor de stroom van protonen langs de elektrochemische gradiënt inactief centrumATP-synthetase-enzym.

15. Geef een classificatie van hypo-energetische toestanden op basis van de oorzaak van hun optreden. Antwoord : a) Voedingswaarde. 6). Hypoxisch. c) Histotoxisch. G). Gecombineerd.

16. Geef een diagram van de keten van elektronentransporteurs met deelname van cytochroom P 450, functionerend in de membranen van het endoplasmatisch reticulum. Antwoord :

17. Geef de vergelijking voor de reactie die wordt gekatalyseerd door het enzym superoxide-dismutase.

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

Optie 7

1. Leg uit waarom levende objecten thermische energie niet kunnen gebruiken om werk te doen. Antwoord : INBiologische systemen hebben geen temperatuurgradiënt.

2. Geef aan volgens welk principe chemische bindingen in bepaalde verbindingen worden geclassificeerd als hoogenergetische bindingen. Antwoord: De vrije energie voor het verbreken van een dergelijke binding moet groter zijn dan 5 kcal/mol (equivalent: > 21 kJ/M).

3. Noem 4 klassen van hoogenergetische verbindingen. Antwoord: Elke 4 opties uit de volgende: nucleosidepolyfosfaten, carbonylfosfaten, thioesters. guanidinefosfaten, aminoacyladenylaten, aminoacyl-tRNA.

4. Geef de dagelijkse menselijke behoefte aan lipiden aan, uitgedrukt in g/kg lichaamsgewicht. Antwoord : 1,5 g/kg.

5. Voer de calorische coëfficiëntwaarde voor koolhydraten in. Antwoord : 4,1 kcal/g.

6. Geef aan welk deel van iemands totale energieverbruik wordt gedekt door de afbraak van lipiden. Antwoord : 30%.

7. Geef de biologische rol aan van de eerste fase van het katabolisme. Antwoord : Een scherpe afname van het aantal individuele verbindingen dat de tweede fase binnengaat.

8. Noem 2 metabolische routes die verband houden met de derde fase van katabolisme. Antwoord : Krebs tricarbonzuurcyclus, de hoofdketen van ademhalingsenzymen.

9. Schrijf een algemeen schema voor anaerobe dehydrogeneringsreacties. Antwoord: SCH 2 + X -> Sgeoxideerd + CN 2

10. Definieer de metabolische route die bekend staat als de Krebs-tricarbonzuurcyclus. Antwoord : Een cyclisch pad van wederzijdse transformaties van di- en tricarbonzuren, waarbij het acetylresidu wordt geoxideerd tot twee moleculen CO2.

11.Beschrijf met behulp van structuurformules de overgang van citraat naar isocitraat, met vermelding van alle deelnemers aan het proces. Antwoord :

12. Geef de enzymen van de Krebs-cyclus aan, waarvan de activiteit allosterisch wordt geremd door hoge concentraties NADH + H +. Antwoord : Citraatsynthase, isocitraatdehydrogenase, 2-oxoglutaraatdehydrogenasecomplex.

13.Schrijf de reactie op voor de synthese van oxaalazijnzuur uit pyruvaat, met vermelding van alle deelnemers aan het proces. Antwoord :CH 2 -CO-COOH+ CO 2 + ATP -> COOH-CH2-CO-COOH+ADP+P.

14. Geef een algemeen diagram van de belangrijkste ademhalingsketen van de mitochondriën. Antwoord :

15. Geef de namen van 1 enzymcomplex uit de belangrijkste ademhalingsketen van de mitochondriën. Antwoord : NADH+H+ ,KoQ- oxidoreductasecomplex.

16. Geef de reden (drijvende kracht) aan die ervoor zorgt dat elektronen door het dragersysteem van de belangrijkste ademhalingsketen bewegen. Antwoord : Het verschil in redoxpotentiaal tussen verbindingen aan het begin en het einde van een respiratoire transportketen.

17. Definieer de term ‘oxidatieve fosforylering op substraatniveau’. Antwoord : ATP-synthese met behulp van de energie die vrijkomt tijdens de oxidatie van een bepaalde verbinding.

18. Geef 2 voorbeelden van verbindingen die de werking van 1 complex van de hoofdketen van ademhalingsenzymen remmen. Antwoord : Rotenon, natriumamytaal.

19. Geef 2 mogelijke redenen voor de ontwikkeling van histotoxische hypo-energetische toestanden. Antwoord : a) Blokkering van de keten van ademhalingsenzymen, b) Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie.

20.Noem 2 verbindingen waarbij het microsomale oxidatiesysteem betrokken is bij het katabolisme. Antwoord : Tryptofaan, fenylalanine.

De bron van vrije E in heterotrofe organismen is afbraak van voedingsstoffen Met andere woorden, katabole processen die plaatsvinden in cellen en weefsels. Katabolisme omvat honderden chemicaliën. reacties, tientallen metabolische routes. Tegelijkertijd is er een bepaalde logica terug te vinden in de organisatie van katabole processen. Alle katabolisme heeft een voedingswaarde. stoffen in het lichaam kunnen worden onderverdeeld in drie fasen of, zoals gewoonlijk wordt genoemd, drie fasen.

In de eerste fase polymeermoleculen worden opgesplitst in monomeren: eiwitten worden afgebroken tot aminozuren, oligo's en polysachariden tot monosachariden en hun derivaten, lipiden tot hogere vetzuren, glycerol, aminoalcoholen, enz. In deze fase zijn er geen oxidatieve processen, hydrolyse en fosforolyse overheersen . Alle energie wordt als warmte afgevoerd. In deze fase is er een scherpe afname van het aantal verbindingen, die vervolgens de tweede fase van katabolisme ingaan. Met een verscheidenheid aan voedingsmiddelen komen dus miljoenen verschillende eiwitten in het maag-darmkanaal terecht en worden ze allemaal afgebroken tot 20-25 AA.

In de tweede fase deze vijf dozijn verbindingen ondergaan verdere splitsing, zodat bij het verlaten van deze fase slechts vijf verbindingen overblijven: acetyl CoA, succinyl CoA, fumaraat, oxaalacetaat en 2oxoglutaraat. De afbraak van voedingsstoffen die in de tweede fase doorgaat, gaat dus gepaard met een nog grotere eenwording van tussenproducten. De katabole processen die in de tweede fase plaatsvinden, zijn namelijk van gemengde aard het omvat fosforolyse, lyasesplitsing, thiolyse en oxidatieve reacties. In deze fase van het katabolisme worden alle stikstofhoudende eindproducten van het katabolisme gevormd, evenals een beetje CO2 en H2O. De organisatie van katabole processen is dat naarmate de afbraak van voedingsstoffen zich verdiept, het aantal tussenliggende metabolische producten afneemt. Dit principe van het construeren van katabole processen wordt het principe van convergentie genoemd. De metabolische routes van de eerste en tweede fase van het katabolisme zijn gewoonlijk individueel voor individuele verbindingen of groepen structureel verwante stoffen van dezelfde klasse. Daarom worden de metabolische routes van de eerste en tweede fase van het katabolisme specifieke katabole routes genoemd. Tegelijkertijd zijn de metabolische processen van de derde fase van het katabolisme hetzelfde, ongeacht welke verbinding wordt afgebroken.

In dit opzicht metabolische routes derde fase worden gemeenschappelijke routes van katabolisme genoemd. De aanwezigheid van gemeenschappelijke metabolische routes in de derde fase van het katabolisme, waarin 2/3 van alle vrije energie vrijkomt, vergroot het aanpassingsvermogen van levende organismen, omdat maakt het relatief eenvoudig om van het ene type voedingsstof naar het andere over te stappen. De aanwezigheid van gemeenschappelijke metabolische routes in de derde fase maakt het ook mogelijk om het aantal verschillende enzymen te verminderen die cellen en weefsels nodig hebben om verschillende voedingsstoffen te verwerken. Dit alles helpt organismen in de strijd om te overleven en is het resultaat van de lange evolutie van levende organismen.Wegen van de derde fase van het katabolisme: de Krebs-tricarbonzuurcyclus en de keten van ademhalingsenzymen

Q=∆H + W

waarbij: Q – warmte-energie

ΔН – enthalpie

W – werk

Zo zetten cellen, die energie ontvangen uit de externe omgeving in de vorm van lichtkwanta (fotosynthese) of chemische energie van organische en anorganische stoffen, en deze opslaan in verbindingen met een hoog energiepotentieel (ATP), deze om in elektrische of chemische energie die zich in het lichaam bevindt. een molecuul. ATP is de belangrijkste drager van chemische energie in alle levende organismen. ATP kan zijn energie overdragen aan andere biomoleculen, waarbij het zijn terminale fosfaatgroep verliest en in ADP verandert, dat wil zeggen het werk uitvoert van contractiele motorapparatuur voor het transporteren van stoffen door het membraan. Er komt nutteloos thermisch werk vrij in de omgeving - de entropie van de omgeving (∆S) neemt toe.

Tweede wet van de thermodynamica

Het systeem streeft naar zijn wanorde. Dit wordt gedocumenteerd door de toename van de entropie ΔS en wordt uitgedrukt door de vergelijking:

ΔH = ΔG + TΔS

waarbij: ΔH – thermische energie,

AG – Gibbs vrije energie,

T – absolute temperatuur.

De entropiewaarde is constant en heeft een positieve minimumwaarde. Dit komt door het feit dat de toename van het entropieniveau in het systeem tijdens de afbraak van voedingsstoffen wordt gecompenseerd door de verwijdering van eindproducten uit het systeem en de intensivering van biosyntheseprocessen, en deze waarde wordt teruggebracht tot de vereiste stationaire parameters. .

Als het metabolisme stopt, neemt de Gibbs-energie van het systeem af, neemt de entropie toe (dat wil zeggen, de kwaliteit van de energie neemt af) en neemt de enthalpie, die de maatstaf voor de thermische inhoud van het systeem kenmerkt, af. Het streeft altijd naar een minimum en wanneer dit bereikt wordt, sterft het lichaam. Daarom is de taak van een organisme of biosysteem een ​​hoog niveau van enthalpie en vrije energie. Het systeem heeft de neiging de entropiewaarde op een lager stationair niveau te houden.

Het is bekend dat hoe hoger de hardheid van een stof, hoe lager de entropie ervan. De entropie van diamant (0,57 e.u.) is dus de helft van de entropie van grafiet (1,7 e.u.). Carbiden, boriden en andere zeer harde stoffen worden gekenmerkt door een lage entropie. De entropie van een amorf lichaam is iets groter dan de entropie van een kristallijn lichaam. Een toename van de mate van spreiding van een systeem leidt ook tot een lichte toename van de entropie ervan.

De entropie neemt toe naarmate het molecuul van een stof complexer wordt; Voor de gassen N 2 O, N 2 O 3 en N 2 O 5 is de entropie dus respectievelijk 52,6; 73,4 en 85,0 e.u. De entropie van vertakte koolwaterstoffen is kleiner dan de entropie van onvertakte koolwaterstoffen. De entropie van een cycloalkaan is kleiner dan de entropie van het overeenkomstige alkeen.

Laten we de factoren die nodig zijn om een ​​stabiele toestand te handhaven nader bekijken. Om de stofwisseling te laten plaatsvinden, dat wil zeggen:

substraat S → X ↔ Y → P(eindproducten van afbraak)

implementatie V 1, V 2, V 3 – const.

metabolisme

de substraatconcentratie (S) moet zorgen voor verzadiging van het enzym dat deze transformatie katalyseert. Deze reactie moet unidirectioneel zijn, waardoor een netto stroom richting substraatafbraak ontstaat. Dergelijke reacties beheersen de werking van het systeem en vormen de beperkende schakels ervan: ze zijn kinetisch onomkeerbaar. Een voorbeeld van zo’n reactie in het lichaam is de glucokinasereactie, die leidt tot de vorming van gl-6-fosfaat uit glucose in aanwezigheid van ATP en Mg 2+. Dit is de beperkende schakel in de glycolyse, die de snelheid van het proces als geheel bepaalt.

Voorwaarden voor het handhaven van een stationaire stroom.

1. De laatste fasen van het metabolisme moeten kinetisch onomkeerbaar zijn (CO 2 H 2 O);

2. Omdat de eindproducten door het lichaam worden uitgescheiden, wordt de entropie in het biosysteem vrijwel constant gehouden;

3. Een constante stroom van voedingsstoffen en energie is slechts één van de voorwaarden voor het handhaven van een stabiele toestand;

4. De aanwezigheid van een structurele organisatie die de opname en het gebruik van voedingsstoffen en energie mogelijk maakt.

Inleiding tot het metabolisme. Principes van metabolische organisatie.

Metabolisme- kan worden gedefinieerd als het geheel van alle bio-organische reacties die door enzymen worden gekatalyseerd.

Tussentijdse uitwisseling begint vanaf het moment dat voedingsstoffen in het bloed komen en totdat de eindproducten van de stofwisseling worden verwijderd en het lichaam voorzien van de stoffen en energie die nodig zijn voor zijn leven.

Metabolisme is een sterk geïntegreerd en gericht proces. Integratie is mogelijk vanwege het bestaan ​​van de relatie tussen het metabolisme van koolhydraten, eiwitten en vetten, enz. De relatie wordt verzekerd door een gemeenschappelijke energievoorziening, gemeenschappelijke tussenliggende metabolieten, op het niveau waarvan er een kruispunt is van specifieke metabolische processen ( gl-6-ph, PVK, acetyl-CoA), algemene metabolische processen (TCA-cyclus, oxidatieve fosforylatie). Integratie is ook mogelijk door de relatie tussen weefsels en organen. Tot de integrerende systemen behoren onder meer het zenuwstelsel (het centrum voor het verwerken van informatie en het nemen van beslissingen wanneer de omstandigheden veranderen); endocriene systeem (productie van hormonen die informatie naar de cel overbrengen); vasculaire systeem (dient niet alleen voor het transport van voedingsstoffen, maar ook voor hormonen).

Door de volgorde van het metabolisme in het lichaam kunnen we 4 stadia van het metabolisme onderscheiden, dat wil zeggen dat het metabolisme wordt gekenmerkt door dynamiek en stadia.

Fase 1– in dit stadium wordt de toevoer van voedingsstoffen naar de interne weefsels van het lichaam voorbereid tijdens het verteringsproces in het maag-darmkanaal. Er zijn:

a) spijsvertering op afstand - bijvoorbeeld de afbraak van eiwitten onder invloed van pepsine in de maagholte of trypsine in het darmlumen.

b) pariëtaal of membraan - bijvoorbeeld de werking van peptidasen gefixeerd op het oppervlak van cellen van het darmslijmvlies;

c) intracellulair - bijvoorbeeld in lysosomen, vertering onder invloed van proteolytische enzymen.

Naast de enzymen van het macro-organisme nemen ook enzymen van de darmmicroflora deel aan de spijsvertering.

Stage 2– resorptie – processen van opname van voedingsstoffen via het darmslijmvlies.

Fase 3– interstitiële metabolisme – enzymatische processen van synthese en afbraak, gereguleerd door de neurohumorale route.

Fase 4– uitscheiding – uitscheiding van metabolische producten.

Het concept van de processen van katabolisme en anabolisme.

De reeks chemische transformaties van stoffen die in het lichaam plaatsvinden, vanaf het moment dat ze in het bloed terechtkomen en totdat de eindproducten van de stofwisseling uit het lichaam vrijkomen, wordt genoemd middelmatig metabolisme(tussentijdse uitwisseling). Het intermediaire metabolisme kan worden onderverdeeld in twee processen: katabolisme (dissimilatie) en anabolisme (assimilatie).

Katabolisme wordt de enzymatische afbraak van relatief grote organische moleculen genoemd, meestal in hogere organismen, via de oxidatieve route. Katabolisme gaat gepaard met het vrijkomen van energie vervat in de complexe structuren van organische moleculen en de opslag ervan in de vorm van de energie van fosfaatbindingen van ATP (exergonisch proces, met het vrijkomen van Gibbs-energie en opslag in de vorm van ATP).

Anabolisme is de enzymatische synthese van grote moleculaire cellulaire componenten, zoals polysachariden, nucleïnezuren, eiwitten en lipiden, die worden gekenmerkt door aanzienlijke Gibbs-energie en lage entropie, evenals de synthese van enkele biosynthetische voorlopers van eenvoudiger verbindingen, met sterkere bindingen (laag Gibbs energiewaarden en hoge waarden entropie - CO 2, NH 3, ureum, creatinine).

Anabole processen vinden gelijktijdig in cellen plaats en zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. In wezen moeten ze niet worden beschouwd als twee afzonderlijke processen, maar als twee kanten van een gemeenschappelijk proces: metabolisme, waarbij de transformatie van stoffen nauw verweven is met de transformatie van energie.

Katabolisme.

De afbraak van basisvoedingsstoffen in de cel is een reeks opeenvolgende enzymatische reacties die de drie hoofdfasen van katabolisme vormen (Hans Krebs) – dissimilatie.

Fase 1– grote organische moleculen vallen uiteen in hun samenstellende specifieke structurele blokken. Zo worden polysachariden afgebroken tot hexosen of pentosen, eiwitten tot aminozuren, nucleïnezuren tot nucleotiden en nucleosiden, lipiden tot vetzuren, glyceriden en andere stoffen.

De hoeveelheid energie die in dit stadium vrijkomt is klein: minder dan 1%.

Stage 2– er worden nog eenvoudiger moleculen gevormd en het aantal van hun typen wordt aanzienlijk verminderd. Het is belangrijk om te benadrukken dat hier producten worden gevormd die gemeenschappelijk zijn voor het metabolisme van verschillende stoffen - dit zijn als het ware knooppunten die verschillende metabolische routes met elkaar verbinden. Deze omvatten: pyruvaat – gevormd tijdens de afbraak van koolhydraten, lipiden en aminozuren; acetyl-CoA - combineert het katabolisme van vetzuren, koolhydraten, aminozuren.

Producten verkregen in de tweede fase van het katabolisme komen binnen 3e etappe, die bekend staat als de Krebs-cyclus - de tricarbonzuurcyclus (TCA), waarin terminale oxidatieprocessen plaatsvinden. Tijdens deze fase worden alle producten geoxideerd tot CO 2 en H 2 O. Bijna alle energie komt vrij in de 2e en 3e fase van het katabolisme.

Alle bovengenoemde stadia van katabolisme of dissimilatie, die bekend staan ​​als het ‘Krebs-schema’, weerspiegelen het meest nauwkeurig de belangrijkste principes van het metabolisme: convergentie en unificatie. Convergentie– de combinatie van verschillende metabolische processen die kenmerkend zijn voor individuele soorten stoffen, tot enkele processen die voor alle soorten gelden. Volgende fase - eenwording– een geleidelijke afname van het aantal deelnemers aan metabolische processen en het gebruik van universele metabolische producten bij metabolische reacties.

In de eerste fase is het principe van unificatie duidelijk zichtbaar: in plaats van veel complexe moleculen van zeer verschillende oorsprong worden vrij eenvoudige verbindingen gevormd in een hoeveelheid van 2-3 dozijn. Deze reacties vinden plaats in het maag-darmkanaal en gaan niet gepaard met het vrijkomen van grote hoeveelheden energie. Het wordt meestal afgevoerd als warmte en wordt niet voor andere doeleinden gebruikt. Het belang van de chemische reacties in de eerste fase is het voorbereiden van de voedingsstoffen op de daadwerkelijke vrijgave van energie.

In de tweede fase is het convergentieprincipe duidelijk zichtbaar: het samenvoegen van verschillende metabolische routes in één enkel kanaal, dat wil zeggen in de derde fase.

In de tweede fase komt ongeveer 30% van de energie uit de voedingsstoffen vrij. De resterende 60-70% van de energie komt vrij in de tricarbonzuurcyclus en het daarmee samenhangende terminale oxidatieproces. In het terminale oxidatiesysteem of de ademhalingsketen, dat gebaseerd is op oxidatieve fosforylering, bereikt de unificatie zijn hoogtepunt. Dehydrogenasen die de oxidatie van organische stoffen in de TCA-cyclus katalyseren, brengen alleen waterstof over naar de ademhalingsketen, die identieke transformaties ondergaat tijdens het proces van oxidatieve fosforylering.

Anabolisme.

Anabolisme doorloopt ook drie fasen. De uitgangsstoffen zijn de stoffen die transformaties ondergaan in de derde fase van het katabolisme. Stadium 3 van katabolisme is dus de beginfase van anabolisme. De reacties van deze fase hebben een dubbele functie: amfibool. Bijvoorbeeld eiwitsynthese uit aminozuren.

Fase 2 – vorming van aminozuren uit ketozuren bij transamineringsreacties.

Fase 3 – het combineren van aminozuren tot polypeptideketens.

Als gevolg van opeenvolgende reacties vindt ook de synthese van nucleïnezuren, lipiden en polysachariden plaats.

In de jaren 60-70 van de 20e eeuw werd het duidelijk dat anabolisme geen eenvoudige omkering van katabole reacties is. Dit komt door de chemische kenmerken van chemische reacties. Een aantal katabole reacties zijn vrijwel onomkeerbaar. Hun stroom in de tegenovergestelde richting wordt verhinderd door onoverkomelijke energiebarrières. In de loop van de evolutie werden bypass-reacties ontwikkeld waarbij energie uit hoogenergetische verbindingen werd verbruikt. De katabole en anabole routes verschillen in de regel in hun lokalisatie in de celstructurele regulatie.

Bijvoorbeeld: de oxidatie van vetzuren vindt plaats in de mitochondriën, terwijl de synthese van vetzuren wordt gekatalyseerd door een reeks enzymen die zich in het cytosol bevinden.

Het is vanwege verschillende lokalisatie dat katabole en anabole processen in de cel gelijktijdig kunnen plaatsvinden.

Principes van metabolische integratie

De metabolische routes zijn dus divers, maar in deze diversiteit ligt eenheid, wat een specifiek kenmerk van de stofwisseling is.

Deze eenheid ligt in het feit dat van bacteriën tot het goed georganiseerde weefsel van een hoger organisme de biochemische reacties identiek zijn. Een andere manifestatie van eenheid is het cyclische karakter van de belangrijkste stofwisselingsprocessen. Bijvoorbeeld tricarbonzuurcyclus, ureumcyclus, pentosecyclus. Blijkbaar bleken de tijdens de evolutie geselecteerde cyclische reacties optimaal te zijn voor het verzekeren van fysiologische functies.

Bij het analyseren van de organisatie van metabolische processen in het lichaam rijst natuurlijk de vraag: hoe wordt het onderhoud van processen bereikt in overeenstemming met de behoeften van het lichaam in verschillende perioden van zijn leven? Die. Hoe wordt ‘homeostase’ gehandhaafd (een concept dat voor het eerst werd geformuleerd door Cannon in 1929) in de context van voortdurend veranderende levenssituaties, dat wil zeggen: - wanneer de interne en externe omgeving verandert. Hierboven werd al vermeld dat de regulatie van de stofwisseling uiteindelijk neerkomt op het veranderen van de activiteit van enzymen. Tegelijkertijd kunnen we praten over een hiërarchie van metabolische regulatie.