Биоэнергетика и метаболизм

Процессы распада и окисления идут с освобождением энергии и становятся физиологически полноценными только в том случае, если они сопряжены с окислительным фосфорилированием. Дело в том, что значительная часть тепловой энергии, которая выделяется при гликолизе (распад углеводов) и окислении (дыхание), переходит в так называемые макроэрги (химические связи, богатые энергией), главным образом в полифосфатных нуклеотидах. Важнейшими из них являются аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ).

При реакции АТФ ®АДФ+ ~Н₂Р0₃ фосфорная кислота присоединяется к другому веществу; химическая энергия передается без потерь. Энергия макроэргов приблизительно в три раза больше обычных связей.

Освобождающаяся при окислении энергия аккумулируется в макроэргах АТФ. Примером может служить окисление пировиноградной кислоты (окислительное фосфорилирование):

СНз-СО—СООН + 2 1/20₂ + 15АДФ + 15Н₃РО₄ ® ЗС0₂ + 2Н₂0 + 15АТФ

Образование макроэргов в мозге теплокровных животных полностью зависит от доставки кислорода и глюкозы. Высокое содержание макроэргов в мозге поддерживается должным уровнем окислительного фосфорилйрования.

Задержка окислительного фосфорилирования неизменно исто­щает запасы энергии и тем самым сокращает объем синтетических процессов в клетках. Свободное дыхание (образование только С0₂ и Н₂О) усиливается, освобождается тепловая энергия, но без накопления макроэргов.

При ненормально повышенной деятельности щитовидной железы усиливается потребление кислорода и ослабляется окисли­тельное фосфорилирование, а, следовательно, задерживаются син­тетические процессы и быстро возрастают реакции распада веществ. Это ведет к резкому падению веса животного.

Окислительное фосфорилирование необходимо для утилизации энергии в биологических системах путем превращения основного акцептора фосфатов—АДФ в АТФ.

Тканевое дыхание протекает в окислительной цепи реакций, называемой также водородтранспортной системой, в одной половине которой происходит передача водорода, а в другой—электронов. Обычно идет бивалентное окисление—передача двух протонов (2Н⁺) и двух электронов (2е^-), как это наблюдается, например, при окислении молочной кислоты в пировиноградную.

Водород субстрата восстанавливает специфические кодегидрогеназы. Восстановленные кодегидрогеназы (KoIH₂+KoIIH₂) передают водород флавопротеинам (ФП). Окисление восстановлен­ных флавопротеинов (ФП—Н₂) сопровождается выделением про­тонов и переносом электронов цитохромной системой, которая входит в митохондрии клеток. Железосодержащие комплексы (гемы, построенные из четырех пиррольных колец, образующие кольцо, в центре которого находится железо) способны передавать друг другу электроны. В гемах цитохромов (клеточных пигмен­тов) постоянно идут превращения Fe⁺⁺ ®Fe⁺⁺⁺. Надо отметить, что гемы отличаются иным характером связи с белком. Поэтому цитохромы в отличие от гемоглобина не присоединяют ни кислорода, ни окиси углерода, а служат только переносчиками электронов. Электроны последовательно передаются от одного цитохрома к другому и, наконец, к цитохромоксидазе, ферменту, который участвует в передаче двух электронов к молекулярному кислороду, в результате чего протоны реагируют с ним.

Водородтранспортная система служит не только для переноса электронов и протонов, но и для накопления энергии окисления, так как реакции в этой системе сопряжены с образованием макроэргов.

При действии космических лучей двухвалентное железо в цитохромах переходит в трехвалентное и цитохромы теряют способность переносить электроны: нарушается тканевое дыхание.

Метаболизм выполняет 4 специфические функции:

снабжение химической энергией, которая добывается путем расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих в организм из внешней среды:

превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в дальнейшем клеткой для построения макромолекул:

сборку белков, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков:

синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций данной клетки.

Хотя ферментных реакций много, центральные метаболические пути немногочисленны и почти у всех живых форм в принципе едины.

Ферменты — это простейшие единицы метаболической активности. Каждый из них катализирует какую-нибудь одну химическую реакцию.

Ферменты объединены в клетках в мультиферментные системы, каждая из которых катализирует последовательные стадии данного метаболического пути. Такие мультиферментные системы включают от двух до двадцати ферментов. Продукты последовательных превращений, объединяемые в данный метаболический путь, называются промежуточными продуктами или метаболитами.

Большинство метаболических путей линейны, хотя могут быть и циклическими (ЦТХ, орнитиновый цикл).

Термин «метаболизм» равнозначен термину «обмен веществ и энергии». В более точном и узком смысле «метаболизм» означает промежуточный обмен. Промежуточный метаболизм складывается из двух фаз: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм — это фаза, в которой происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры и белки, поступившие с пищей, распадаются в серии последовательных реакций до молочной кислоты, углекислого газа и аммиака.

Катаболические процессы сопровождаются высвобождением свободной энергии, заключенной в сложной структуре больших органических молекул. На определенных этапах катаболизма значительная часть свободной энергии запасается в форме АТФ, НАДН.

Анаболизм (биосинтез) — фаза метаболизма, в которой из малых молекул – предшественников синтезируются белки, жирные кислоты и другие макромолекулы. В ходе анаболизма увеличивается размер молекул, усложняется их структура Þ он требует затраты свободной энергии. Источники энергии — распад АТФ до AДФ и неорганического фосфора или НАДН ® НАД.

Катаболизм и анаболизм протекают одновременно, но их скорости регулируются независимо. Схематично это можно выразить следующим образом:

.

	Углеводы Жиры Белки		Белки Полисахариды Липиды НК
Катаболизм		АТФ НАДН		Анаболизм
	CO2 H2O NH3		АК сахара ЖК азотистые основания

Катаболические пути сходятся — образуется небольшое число конечных продуктов.

¯

¯

Анаболические пути расходятся — образуется много разных продуктов

­

­

Катаболизм и соответствующий ему анаболизм — путь между данным предшественником и данным продуктом обычно не совпадают. Могут различаться и промежуточные продукты, и определенные стадии этих путей.

Основные пути метаболизма: гликолиз (центральный путь катаболизма глюкозы), биосинтез углеводов, цикл лимонной кислоты, биосинтез липидов, окислительные расщепления и биосинтез аминокислот.

Гликолиз является одним из центральных метаболических путей у большинства организмов. Гликолиз почти универсален как один из центральных путей катаболизма глюкозы. Продукт гликолиза — пируват может использоваться тремя способами: в анаэробных условиях происходит превращение до этанола и СО₂ (спиртовое брожение); в анаэробных условиях — до лактата (анаэробный гликолиз в сокращающейся мышце); в аэробных условиях — до ацетил – КоА (поступает в ЦТК).

С гликолизом сопряжен синтез АТФ. В ходе гликолиза значительная часть свободной энергии, содержащейся в молекуле глюкозы, запасается в форме АТФ:

C₆H₁₂O₆ + 2Фн + 2АДФ ® 2C₃H₆O₃ + 2ATФ

При гликолизе высвобождается только небольшая часть всей энергии, заключенной в молекуле глюкозы. Большая часть биологически доступной энергии, заключенной в глюкозе, сохраняется в продуктах гликолиза — двух молекулах лактата. Она высвобождается только в том случае, если продукты гликолиза подвергнутся полному окислению до углекислого газа и воды.

В организме животных лактат, образующийся в работающих мышцах и диффундирующий в кровь, может возвращаться в цикл; он поступает в печень и здесь в период восстановления после напряженной мышечной работы вновь превращается в глюкозу.

Биосинтез углеводов.У всех высших животных биосинтез D-глюкозы — абсолютно необходимый процесс, потому что D-глюкоза крови служит единственным или главным источником топлива для нервной системы (в том числе и мозга), а также для почек, семенников, эритроцитов и для всех тканей эмбриона.

В организме животных D-глюкоза непрерывно синтезируется в строго регулируемых размерах из более простых предшественников (пируват и некоторые аминокислоты), а затем поступает в кровь. Особенно большое значение имеет биосинтез гликогена, протекающий в печени и мышцах. Гликоген печени служит резервуаром глюкозы — из него образуется глюкоза, которая поступает в кровь.

Мышечный гликоген, распадаясь в процессе гликолиза, служит источником энергии АТФ для мышечного сокращения. Образование D-глюкозы из неуглеводных предшественников называется глюконеогенезом.

Важными предшественниками D-глюкозы являются: лактат; пируват; глицерол; большинство аминокислот. Глюконеогенез интенсивно протекает в печени и значительно менее интенсивно — в корковом веществе почек. Гликолиз и глюконеогенез — неидентичны, хотя включают ряд общих этапов. Семь ферментативных реакций гликолиза свойственны также и глюконеогенезу.

Глюконеогенез требует значительных затрат энергии. Синтез глюкозы происходит в период восстановления после мышечной работы. На образование одной молекулы глюкозы из двух молекул лактата расходуется 6 молекул АТФ, а при распаде глюкозы сжигаются только 2 АТФ.

	Скелетная мышца		Печень
2 АТФ	Гликоген		Глюкоза	6 АТФ
	2 лактат	кровь	2 лактат

У жвачных животных, в том числе у крупного рогатого скота, растительная пища, перевариваясь, подвергается ферментации в рубце под действием находящихся там ферментов. Живущие в рубце бактерии расщепляют целлюлозу с образованием свободной D-глюкозы. Далее они сбраживают почти всю глюкозу до лактата, а в кровь попадает ничтожное количество несброженной глюкозы. Откуда у коровы берется необходимое количество глюкозы?

Глюконеогенез в печени жвачных животных протекает более интенсивно; помимо основного пути глюконеогенеза на основе лактата существует биосинтез глюкозы из пропионата (пропионовой кислоты) и также протекает весьма интенсивно.

Цикл трикарбоновых кислот. Цикл трикарбоновых кислот Кребса называют еще циклом лимонной кислоты или клеточным дыханием. Биохимики и цитологи рассматривают дыхание на микроскопическом уровне — молекулярный механизм потребления О₂ и образование СО₂ в клетках.

В клеточном дыхании различают 3 стадии:

пируват, образовавшийся в результате гликолиза, из жирных кислот или аминокислот окисляется до двухуглеродного фрагмента — ацетил – Ко-А и высвобождается СО₂.

собственно ЦТК с высвобождением молекул СО₂.

атомы водорода расщепляются на протоны и электроны (богатые энергией), которые передаются по дыхательной цепи на кислород и восстанавливают его до Н₂О. Перенос электронов сопровождается выделением большого количества энергии в виде АТР и называется окислительным фосфолированием.

ЦТК — не линейный, а замкнутый путь. Цикл начинается с того, что ацетил — Ко-А взаимодействует с оксалоацетатом ® шестиугольный цитрат.

Перенос электронов и окислительное фосфорилирование происходит во внутренней мембране митохондрий.

Там локализуются переносчики электронов, составляющие дыхательную цепь, и ферменты, катализирующие синтез АТФ из АДФ и фосфата.

Химические реакции, в процессе которых происходит перенос электронов с одной молекулы на другую, называются окислительно-восстановительными реакциями.

Соединения, отдающие электроны в такой реакции, называются донорами электронов или восстановителями, а соединения, присоединяющие электроны — акцепторамиэлектронов или окислителями. Окислители и восстановители всегда функционируют как сопряженные редокс-пары.

Донор « е^- + Акцептор

В дыхательной цепи есть три участка, в которых перенос электронов сопровождается большим снижением свободной энергии. Это те участки, где высвобождающаяся энергия запасается, то есть, используется для синтеза АТФ.

Окисление жирных кислот. Липиды — очень важный источник энергии в организме животных. Среди главных питательных веществ они самые калорийные. Они окисляются до СО₂ и Н₂О, что сопровождается высвобождением энергии. У жирных кислот и углеводов конечный путь окисления фенолов — это ЦТК.

Жирные кислоты находятся в цитороле, попав через клеточные мембраны из крови. В митохондриальном матриксе происходит их окисление после ряда ферментативных превращений. Оно включает две стадии.

R — COOH ® 8 Ацетил КоА ® ЦТК

16СО₂

Биосинтез липидов.Представляет собой очень активный метаболический процесс. Это обусловлено тем, что животные могут запасать эти соединения в больших количествах. Более 90% энергии, запасаемой в липидах, приходятся на долю жирных кислот. Жирные кислоты придают липидам характерные для них гидрофобные свойства.

Путь биосинтеза жирных кислот отличается от пути их окисления — он идет с участием иных ферментов и в других частях клетки.

Этот процесс протекает в цитозоле, а не в митохондриях. Семь ферментов, участвующих в биосинтезе жирных кислот, объединены в кластер (комплекс), получивший название синтазная система для жирных кислот.

Скорость биосинтеза липидов регулируется гормонами, например инсулином.

Окислительное расщепление аминокислот.На долю аминокислот приходится10-15% энергии, вырабатываемой в тканях. Хотя роль аминокислот состоит в том, что они являются предшественниками для биосинтеза белков, при определенных условиях могут претерпевать окисления: при голодании или сахарном диабете; если с пищей поступает больше аминокислот, чем необходимо для белкового синтеза.

Во всех этих случаях аминокислоты теряют свои аминогруппы и превращаются в a-кетокислоты, которые затем окисляются до углекислого газа и воды (частично через ЦТК).

Биосинтез аминокислот.Пути биосинтеза, ведущие к 20 аминокислотам многочисленны и довольно сложны. Десять аминокислот называются незаменимыми. Они не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Остальные десять аминокислот синтезируются из аммиака и различных источников углерода. Биосинтез заменимых аминокислот включает от 5 до 15 этапов. Неспособность синтезировать незаменимые аминокислоты объясняется отсутствием одного или двух ферментов, необходимых для этого синтеза (фенилаланин, триптофан и прочие).