совокупность превращений веществ, начиная с их поступления в организм до образования конечных продуктов (СО 2, Н 2 О и NH 3 ). Внешний метаболизм (внеклеточный) – включает превращения веществ на путях их поступления и выделения из организма. Промежуточный метаболизм (внутриклеточный).
Обеспечение организма доступной энергией в виде макроэргических соединений. Расщепление макромолекул на «строительные блоки» для синтеза необходимых организму веществ. Синтез необходимых веществ (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот). Синтез и расщепление специализированных биологически активных веществ (гормонов, биогенных аминов).
Метаболизм состоит из метаболических реакций и метаболических путей. Метаболический путь – последовательность химических реакций, в ходе которых субстрат превращается в конечный продукт. Каждая реакция метаболического пути катализируется отдельным ферментом.
Центральные – общие для синтеза и расщепления основных классов веществ (белков, углеводов, липидов). Специфические – характерные для синтеза и расщепления индивидуального вещества (гормон, биогенный амин).
Линейные. Примеры: гликолиз, глюконеогенез. Циклические. Примеры: цикл Кребса, синтез мочевины. Разветвленные. Примеры: синтез триглицеридов и фосфолипидов, синтез холестерола и кетоновых тел.
Катаболизм – расщепление сложных веществ до простых конечных продуктов (СО 2, Н 2 О и NH 3 ). Катаболические процессы сопровождаются выделением энергии ( экзергонические процессы ). Анаболизм – синтез сложных веществ из простых веществ. В анаболических процессах используется энергия ( эндергонические процессы ).
I этап – расщепление полимеров до мономеров, протекает в ЖКТ, не сопровождается образованием полезной энергии. II этап – расщепление мономеров до общего метаболита – ацетил-СоА. Образуется ≈20% энергии. III этап – расщепление ацетил-СоА до конечных продуктов (СО 2 и Н 2 О). Включает цикл Кребса, дыхательную цепь и окислительное фосфорилирование. Образуется ≈80% энергии.
Аминокислоты H 2 O NH 3 Белки Ацетил-КоА Пируват Глюкоза Глицерол + Жирные кислоты Полисахариды Липиды H O 2 цикл Кребса Дыхательная цепь АТФ АДФ + Н 3 РО 4 С O 2 Окислительное фосфорилирование
протекает в обратном направлении катаболизму с определенными особенностями: Катаболизм Анаболизм Локализация Митохондрии, лизосомы Обычно цитоплазма Энергия Выделение Использование Регуляция Активаторы катаболизма обычно являются ингибиторами анаболизма и наоборот.
I закон – закон сохранения энергии; общая энергия системы и окружающей среды – величина постоянная. II закон – все процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую форму.
Биологические системы являются открытыми термодинамическими системами – обмениваются с внешней средой и материей, и энергией.
Каждая термодинамическая система обладает определенной внутренней энергией (∆Е), которая состоит из свободной и связанной энергии. Свободная энергия (∆ G) – та часть энергии системы, которая может быть использована для совершения работы при постоянной температуре и давлении.
Связанная энергия (Т∆ S ) – та часть энергии системы, которая не может быть использована для совершения работы: Т – абсолютная температура; ∆ S – энтропия. ∆Е = ∆ G + Т∆ S Стандартная свободная энергия – ∆ G 0 ´ Стандартные условия: t = 25 º С; рН = 7; концентрация – 1 моль/л.
Значение ∆ G определяет направление химической реакции. ∆ G ˂ 0. Реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии – экзергонические реакции. ∆ G ˃ 0. Реакция нуждается в поступлении свободной энергии извне – эндергонические реакции. ∆ G = 0. Реакция находится в состоянии равновесия.
Reactant Reactant Product Product Exergonic Endergonic Energy is released. Energy must be supplied. Energy supplied Energy released Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Эндергонические и экзергонические реакции
химические соединения, содержащие химические связи, при расщеплении которых выделяется ≥ 5 ккал/моль энергии. Связи называются макроэргическими и обозначаются ~. Макроэргические вещества выполняют функцию энергетических посредников ( переносчики энергии от катаболических к анаболическим процессам).
Соединение ∆ G 0 ´, ккал/моль Фосфоенолпируват -14,8 1,3-бифосфоглицерат -13 Карбамоилфосфат -12 Креатинфосфат -10,3 АТФ -7.3 Н 4 Р 2 О 7 - 7,6
АТФ + Н 2 О → АДФ + Н 3 РО 4 ; -7,3 ккал/моль а) АТФ + Н 2 О → АМФ + Н 4 Р 2 О 7; -7,3 ккал/моль b ) Н 4 Р 2 О 7 + Н 2 О → 2 Н 3 РО 4 ; -7,6 ккал/моль -14,9 ккал/моль
Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи. АДФ + Н 3 РО 4 → АТФ 2. Субстратное фосфорилирование – синтез АТФ за счет энергии гидролиза супермакроэргических соединений.
Катаболизм, -∆ G Анаболизм, +∆ G АДФ + Н 3 РО 4 АТФ
характеризует «заполнение» клетки макроэргическими связями (энергией). Показатели энергетического состояния: Энергетический заряд: [ATP]+1/2[ADP ] [ATP]+[ADP]+[AMP] N – 0, 8-0,95 Потенциал фосфорилирования : [ATP]/[ADP]*[Pa] N - 5 00
Регуляция энергетическим состоянием клетки. АТФ ингибирует катаболические процессы, но активирует анаболические процессы. АМФ, АДФ ингибируют анаболические процессы, но активируют катаболические процессы.
2. Аллостерическая регуляция 3. Ковалентная регуляция 4. Индукция и репрессия
Происходит в матриксе митохондрий. Суммарная реакция процесса: CH 3 -CO-COOH CH 3 -CO-SCoA NAD + HS-CoA CO 2 NADH+H + Пиуват Ацетил-СоА
Происходит с участием пируватдегидрогеназного комплекса ( ПДК ), состоящего из 3-х ферментов и 5 кофакторов. Е1 – пируват дегидрогеназа Е2 – дигтдролипоилацетил трансфераза Е3 – дигидролипоил дегидрогеназа В состав комплекса входят и 2 регуляторных фермента – киназа и фосфопротеинфосфатаза, участвующие в ковалентной модификации Е1.
Е1 – ТРР (тиамин, витамин В 1 ) Е2 – липоевая кислота Е3 – ФАД (рибофлавин, витамин В 2 ) NAD + ( никотинамид, витамин РР) HS-CoA (пантотеновая кислота)
протекает в 5 этапов 1. 2. Е1–ТРР-СН(ОН)-СН 3 CH 3 -CO- COO H + → Е1–ТРР + СО 2 → Е1–ТРР-СН(ОН)-СН 3 + S Е2-ЛК S → → S Н Е2-ЛК S - СО-СН 3 + Е1–ТРР
3. + → → + SH Е2-ЛК SH S Н Е2-ЛК S - СО-СН 3 HS-CoA CH 3 -CO-SCoA
4. + → → + S Е2-ЛК S + NAD + S Н Е2-ЛК SH Е3–ФАД Е3–ФАДН 2 Е3–ФАДН 2 5. + → → Е3–ФАД NADH+H +
CH 3 -CO-COOH CH 3 -CO-SCoA NAD + HS-CoA CO 2 NADH+H + Пиуват Ацетил-СоА Цикл Кребса Дыхательная цепь
Ковалентная регуляция Е1 (фермент активируется при дефосфорилировании и ингибиуется при фосфорилиовании ). Аллостерическая регуляция Е2 и Е3 (конечные продукты – ацетил-СоА и НАДН ингибируют соответственно Е2 и Е3). Регуляция энергетическим состоянием клетки (АТФ – ингибитор, АМФ – активатор).
Активаторы ПДК Ингибиторы ПДК NAD + АМФ Пируват Са 2+ Ацетил-СоА NADH АТФ, ГТФ Жирные кислоты
последовательность реакций, в ходе которых происходит полное окисление ацетильного остатка ацетил-СоА до 2 молекул СО 2. Происходит в матриксе митохондрий
CH 3 -C - SCoA II O COOH I C =О I C Н 2 I COOH CO OH I CH 2 I H O-C-COOH I CH 2 I COOH + H 2 O H S-CoA Ацетил-СоА Цитрат синтаза Цитрат Оксалоацетат - H 2 O COOH I CH 2 I C-COOH II CH I COOH Цис-аконитат + H 2 O COOH I CH 2 I H-C-COOH I C Н-ОН I COOH Изоцитрат Аконитаза Аконитаза
NAD + NADH+H + CO 2 COOH I CH 2 I CH 2 I C =О I COOH α - кетоглутарат CO 2 NAD + NADH+H + HS-CoA Изоцитрат дегидрогеназа α - кетоглутарат дегидрогеназный комплекс COOH I CH 2 I CH 2 I C =О I S-CoA Сукцинил-СоА GTP H 3 PO 4 GDP HS-CoA Сукцинил-СоА-синтетаза COOH I CH 2 I CH 2 I C ООН Сукцинат
FAD FADH 2 COOH I CH II HC I C ООН Фумарат Сукцинат дегидрогеназа + H 2 O COOH I CH-OH I CH 2 I C ООН Малат Фумараза NAD + NADH+H + COOH I C = O I CH 2 I C ООН Оксалоацетат Малат дегидрогеназа
CH 3 -CO-SCoA + 2H 2 O + 3NAD + + 1FAD + GDP + H 3 PO 4 → 2CO 2 + HS-CoA + 3NADH+ 3 H + + 1FADH 2 + GTP
Интегративная – объединяет пути метаболизма основных классов веществ. Энергетическая – синтез одной молекулы ГТФ в реакции субстратного фосфорилирования. Донор водородов для дыхательной цепи (в составе NADH и FADH 2 ).
4. Амфиболическая : Катаболическая – расщепление ацетил-СоА до 2 молекул СО 2 Анаболическая – промежуточные продукты цикла Кребса могут использоваться для синтеза определенных веществ. Примеры: оксалоацетат → Asp, Asn α- кетоглутарат → Glu, Gln
Регуляторные ферменты цикла Кребса Активаторы Ингибиторы Цитрат синтаза Ацетил-СоА, оксалоацетат Цитрат, НАДН, АТФ, сукцинил-СоА, жирные кислоты Изоцитрат дегидрогеназа АДФ НАДН α - кетоглутарат дегидрогеназа Са 2+ Сукцинил-СоА, НАДН, АТФ
- реакции, пополняющие промежуточные продукты цикла Кребса. Необходимость анаплеротических реакций вытекает из анаболической функции цикла Кребса.
C OOH I C = O I CH 3 + Пируват CO 2 ATP ADP H 3 PO 4 COOH I C =О I C Н 2 I C ОО Н Оксалоацетат Пируват карбоксилаза C OOH I C - O -PO 3 H 2 I I CH 2 Фосфоенолпируват + CO 2 GDP GTP COOH I C Н 2 I C =О I C ОО Н Оксалоацетат Фосфоенолпируваткарбоксикиназа Биотин
Глутамат NADH+H + + H 2 О NAD + NH 3 α - кетоглутарат Глутамат дегидрогеназа + Фенилаланин Тирозин Фумарат Метионин Валин Изолейцин Сукцинил-СоА
– совокупность реакций окисления, протекающих в живых организмах. Функция – обеспечение организма доступной химической энергией в виде АТФ.
БО начинается с реакций дегидрирования субстратов. Реакции дегидрирования катализируются ферментами дегидрогеназами, которые в качестве кофакторов содержат НАД + и ФАД.
Пируват Изоцитат Малат Глутамат α - кетоглутарат НАДН+Н +
Сукцинат Глицерол-3-фосфат Ацил-СоА ФАДН 2
НАДН и ФАДН 2, полученные в реакциях дегидрирования субстратов, переносят электроны и протоны в дыхательную цепь.
Комплекс ферментов и окислительно-восстановительных систем, участвующих в переносе электронов и протонов с восстановленных кофакторов (НАДН и ФАДН 2 ) на кислород с образованием воды. Локализация процесса – внутренняя митохондриальная мембрана.
Энергетическая – перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выделением свободной энергии, которая используется для синтеза АТФ. Реокисление кофакторов НАДН и ФАДН 2.
ОВ система состоит из донора и акцептора электронов. Каждая ОВ система обладает ОВ потенциалом ( ∆Е º ´ ), который измеряется в вольтах ( V ) и характеризует сродство ОВ системы к электронам (т.е. способность отдавать или принимать электроны).
Чем электроотрицательнее величина ОВ потенциала, тем выше способность ОВ пары отдавать электроны. Чем электроположительнее величина ОВ потенциала, тем выше способность ОВ пары принимать электроны. В дыхательной цепи ОВ системы расположены в порядке возрастания ОВ потенциала.
NAD + / NADH ― -0,32V FMN/FMNH 2 ― -0,05V CoQ/CoQH 2 ― + 0,04V цит. b ( Fe 3 + )/ цит.b(Fe 2+ ) ― +0,12V цит. c 1 (Fe 3 + )/ цит.c 1 (Fe 2+ ) ― +0,22V цит. c(Fe 3 + )/ цит.c(Fe 2+ ) ― +0,2 5 V цит.а (Fe 3 + )/ цит. а (Fe 2+ ) ― +0,2 9 V цит.а 3 (Fe 3 + )/ цит. а 3 (Fe 2+ ) ― +0, 55 V ½ O 2 /H 2 O ― + 0,82V
ФАДН 2 (ФМНН 2 ) ФАД (ФМН)
Белки, содержащие атомы железа ( негемовое железо), связанные с серой остатков цистеина и/или неорганической серой. 3 типа железо-серных центров: FeS Fe 2 S 2 Fe 4 S 4
Атом железа связан координационными связями с 4-мя атомами серы 4-х остатков цистеина в белке.
Каждый из 2-х атомов железа связан координационными связями с 2-мя атомами неорганической серы и 2-мя остатками цистеина в белке.
4 атома железа связаны координационными связями с 4-мя атомами неорганической серы и 4-мя остатками цистеина в белке.
+2Н + +2е -2Н + -2е
в дыхательной цепи участвуют цитохромы b, c, c 1, а и а 3. Цитохромы различаются: Структурой боковых цепей гема. Структурой полипептидных цепей. Способом связи полипептидных цепей с гемом. Значением ОВ потенциала.
Атомы железа в составе цитохромов переносят по одному электрону. Цитохромоксидаза (аа 3 ) содержит и медь Cu 2+ + 1e ↔ Cu + – 1e Fe 3+ Fe 2+ 1e 1e
NAD + S NADH+H + S H 2 FMN FMNH 2 CoQ CoQH 2 2b ( Fe 3+) 2b ( Fe 2+) 2e, 2H + 2e, 2H + 2e, 2H + 2e 2 c 1 ( Fe 3+) 2 c 1 ( Fe 2+) 2 c ( Fe 3+) 2 c ( Fe 2+) 2 a ( Fe 3+) 2 a ( Fe 2+) 2 a 3 ( Fe 3+) 2 a 3 ( Fe 2+) 2 Cu 2 + 2 Cu + 2e 2e 2e 2e 2e ½ O 2 2e ½ O 2 2- + 2H + H 2 O
½O 2 2- NADH+H + 2H + ½O 2 H 2 O 2e ∆ G = -52,6 ккал/моль ∆ G = - n* ∆E *F n – число электронов ; ∆E – разница ОВ потенциала в ДЦ; F – константа Фарадея = 23,061ккал/В*моль
NADH+H + FMN Fe-S CoQ b, c 1 Fe-S c aa 3 Cu O 2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV Комплексы дыхательной цепи
I – NADH-CoQ- редуктаза II – сукцинат - CoQ- редуктаза III – CoQH 2 - цитохром с -редуктаза IV – цитохромоксидаза
синтез АТФ из АДФ и фосфата, сопряженный с дыхательной цепью (за счет энергии переноса электронов по дыхательной цепи). Перенос электронов по дыхательной цепи происходит постепенно и сопровождается уменьшением свободной энергии.
В ДЦ существуют 3 участка, где снижение свободной энергии достаточно для синтеза АТФ из АДФ и фосфата (˃ 7,3 ккал/моль). Участки, где происходит синтез АТФ, называются точками фосфорилирования. Они соответствуют I, III и IV комплексам дыхательной цепи.
NADH+H + FMN Fe-S CoQ b, c 1 Fe-S c aa 3 Cu O 2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP Окислительное фосфорилирование
НАДН+Н + = 3АТФ ФАДН 2 = 2 АТФ
Суммарная реакция цикла Кребса CH 3 -CO-SCoA + 2H 2 O + 3NAD + + 1FAD + GDP + H 3 PO 4 → 2CO 2 + HS-CoA + 3NADH+ 3 H + + 1FADH 2 + GTP 3НАДН = 3*3АТФ = 9АТФ 1ФАДН 2 = 2АТФ 1ГТФ = 1АТФ 12 АТФ
CH 3 -CO-COOH CH 3 -CO-SCoA NAD + HS-CoA CO 2 NADH+H + Пиуват Ацетил-СоА Цикл Кребса ДЦ 3 АТФ 12 АТФ 15 АТФ
Хемиосмотическая теория Митчелла объясняет каким образом энергия переноса электронов по дыхательной цепи используется для синтеза АТФ.
Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Протоны не могут вернуться обратно в матрикс митохондрий, поскольку внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для протонов.
Создается протонный градиент – концентрация протонов в межмембранном пространстве больше чем в матриксе. Протоны заряжены положительно, поэтому появляется разность потенциалов по обе стороны внутренней мембраны: положительный – на наружной и отрицательный – на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.
В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал - ∆µН + Протоны могут возвращаться в матрикс митохондрий только через ионный канал фермента АТФ-синтазы.
Перенос протонов через АТФ-синтазу по градиенту концентрации сопровождается выделением свободной энергии, которая используется для синтеза АТФ. Протонный градиент является движущей силой синтеза АТФ.
2е Внутренняя мембрана митохондрий Наружная мембрана митохондрий Матрикс митохондрий + 2Н + 2Н + 2Н + 2Н + 2Н + 2Н + + + + + + - - - - - - АДФ Н 3 РО 4 АТФ АТФ-синтаза
Локализация – внутренняя мембрана митохондрий. Состоит из 2-х белковых комплексов: F 0 – погружен в мембрану – является каналом для Н + F 1 – выступает в матрикс – является каталитической частью
отношение количества фосфорной кислоты (Р), используемой на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), используемого в дыхательной цепи. Для НАДН - Р/О = 3 Для ФАДН 2 - Р/О = 2 Дыхательный контроль – зависимость скорости дыхательной цепи от концентрации АДФ.
АТФ/ АДФ-транслоказа ( антипортер ) – переносит АТФ из матрикса и АДФ – в матрикс. Фосфат-транслоказа – фосфат переносится в матрикс вместе с протонами. Транспорт АДФ, АТФ и фосфатов через внутреннюю мембрану митохондрий ATP A Д P Матрикс митохондрий Межмембранное пространство Н 2 РО 4 - Н + АТФ/ АДФ-транслоказа фосфат-транслоказа
происходит под действием веществ, которые переносят протоны ( протонофоры ) или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства в матрикс митохондрий, минуя канал АТФ-синтазы. Исчезает протонный градиент и уменьшается синтез АТФ. Энергия переноса электронов выделяется в виде теплоты, коэффициент Р/О уменьшается.
2,4-динитрофенол Дикумарол Тироксин Свободные жирные кислоты Разобщающие агенты являются липофильными веществами, связывают в межмембранном пространстве протоны и переносят их в матрикс.
40-45% энергии переноса электронов по дыхательной цепи используется для синтеза АТФ. 25% - на транспорт веществ через мембрану 30-35% - на теплообразование ( термогенез ) Разобщающие агенты увеличивают термогенез.
Поддержание температуры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных, при адаптации к холоду. Бурая жировая ткань специализированна на термогенезе : Содержит много митохондрий; Содержит много ферментов ДЦ; Содержит белок термогенин (разобщающий белок, UCP – uncoupling protein ).
По структуре близок к АТФ/ АДФ-антипортеру, но не переносит нуклеотиды, а переносит анионы жирных кислот. Патологическое разобщение: Йодтиронины индуцируют синтез термогенина – при гиперфункции щитовидной железы увеличивается температура тела.
I комплекс – ротенон III комплекс – антимицин IV комплекс – цианиды, СО Ингибиторы АТФ-синтазы Олигомицин
Происходит в ретикулоэндоплазматической сети и заключается в гидроксилировании определенных веществ. Суммарная реакция S-H S- O H NADP H+H + NADP + H 2 O O 2
Ферменты – гидроксилазы ( монооксигеназы ). В процессе участвует цитохром Р450 и ФАД-зависимый флавопротеин. Биологическая роль: Обезвреживание экзогенных токсичных веществ и инактивация эндогенных активных веществ. Синтетическая роль (синтез стероидных гормонов, катехоламинов и др. веществ).
Образуются при неполном восстановлении кислорода. Супероксидный анион О 2 + е - → О 2 - Перекись водорода О 2 - + О 2 - + 2Н + → Н 2 О 2 + О 2 Гидроксильный радикал О 2 - + Н 2 О 2 → О 2 + НО - + НО ∙
В нормальных количествах обладают физиологическими эффектами (фагоцитоз микроорганизмов, чужеродных частиц). В высоких концентрациях повреждают нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, мембранные липиды.
Ферменты: Супероксиддисмутаза (СОД) О 2 - + О 2 - + 2Н + → Н 2 О 2 + О 2 Каталаза 2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 Глутатион пероксидаза Глутатион редуктаза 2. Витамины Е, А, С.
H 2 O 2 2H 2 O 2G-SH G-S-S-G NADPH+H + NADP + Глутатион пероксидаза Глутатион редуктаза
NADH+H + FMN Fe-S CoQ b, c 1 Fe-S c aa 3 Cu O 2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP
NADH+H + FMN Fe-S CoQ b, c 1 Fe-S c aa 3 Cu O 2 FAD Fe-S сукцинат I II III IV ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP ADP H 3 PO 4 ATP Окислительное фосфорилирование
