Азотсодержащие соединения и обмен веществ в организме

Период	А М И Н О К И С Л О Т Ы Ред-окс: Н ---> O ---------> 2 О -	<-+Н	+NAD	Углеводы глюкоза	+Н->	Липидыне-предел.
С3-оксиг-фильн.	T Тре 6 6.16	С Цис32 /ss1 5.0	S Сер 3 5.68	G Гли 1 5.973	<------	глиоксилат глицерат	(триозы)глицераль	глицерин+жирные к.	ацилглицериды Воск
жирныег-фобны	I Иле 8 538 6.02	L Лей 3 538 5.98	V Вал 1 513 5.96	A Ала 1 438 6.01	лактат(спирт)	пируватмалонилКо	пропионил-АцетилКоА	АцилКоАацетоацет	неполярны/мевалонат\простагланд
С4	+K Лиз8 511 9.82	М Мет5 5.7	N Асн 1 336 5.41	D- Асп 1 335 2.77	<-------	малат ->фумарат|<-	оксалоацет ЦиклТКК	С6-цитратаконитат	->(С5Н8-)п:терпеныкаучук
С5- сем. глутамата	+R Арг7 Орн485 10.8	P Про 3 486 6.3	Q Глн 1 396 5.65	E- Глу 1 395 3.24	-NH3-><-------	сукцинатсукцКоА<	кетоглутарат+СО2	изоцитратоксалосук.	Стероидыполярные:сфинголип.
сем.ароматических	F Фен10 478 5.48	Y-Тир+1 460 5.66	W Трп 5 450 5.89	+H Гис6 385 7.59
Нуклеотиды - Основания	урацил2-е:У (Т)	цитозинЦ	аденинА	гуанинГ	Е:фос форил.	ФосфатыАМФ(г,ц,у	ФФ АДФ	цАМФ АТФ	ФофолипидСерин-ЭА-Холин-Иноз
Генетический код	Коферменты(витамин	нуклеотиды,Н2	аминокислотные-S	циклические	изопреноиды
Кодоны1-е: У	Фен Лей	Сер	Тир ---	Цис — |Трп	О:Окс-Ред	ФАД+Н2 (В2)	Глутатион	Флавоноиды (Р)	Убихинон (Q)
Ц(3:УЦ АГ	Лей	Про	Гис Глн	Арг	(Н-перенос	НАД/Ф+Н- (РР)	Липоевая к. (N)	Аскорбин.к. (С)	нафтохинон (К)
А УЦ АГ	Иле | Мет	Тре	Асн Лиз	Сер Арг	C:R-	Пиридоксин (В6	КоА (В3) SAM1(U	Фолат ТГФ	ретин(А пренол
Г УЦ ГА	Вал	Ала	Асп Глу	Гли	ОУФ:+СО2	Тиамин (В1)	Биотин (Bn)	Пиррольн. (В12)	феролы (Д,Е)

¹- Цистин,²- число реакций - ферментов у прокариот, ³- pI

Какие аминокислоты незаменимы и с чем это связано?

С трудностью, числом реакций получения - г.о. из кислот ЦТК- и потому со степенью окисления - незаменимы более восстановленные (в таблице слева), получаемые легче из пищи, растений. Заменяя натуральные продукты на химические эквиваленты, Ф.Хопкинс (1906, 1910) открыл незаменимые АК и неравноценность белков (и связь уносивших миллионы заболеваний бери-бери, скорбута и рахита с другими незаменимыми компонентами - см. витамины ниже)

Синтез и распад, обмен аминокислот рассматриваются отдельно. Они - п.в. заменимые образуются из кислот в левой части таблицы - С3- глицерата и пирувата, С4- оксалоацетата, С5- кетоглутарата, ароматические - из С7-углеводов через шикимат. При распаде помимо ацетата (из кетогенных) и С3-4 - пирувата (из глюкогенных) путем декарбоксилирования могут образоваться амины, биологически важные - ГАМК из Глу, ди- и полиамины из Лиз, Арг, Орн, гистамин из Гис, тирамин и дофамин из Тир и Дофа, из них - адреналин и норадреналин, триптамин и серотонин из Трп.

Свойства аминокислот суммируются и в состоящих из них полипептидов. Чем определяется заряд полипептидов при разных рН? Вычислите изоэлектрическую точку (рН нейтрализации) миоглобина кита состава

Белки - гетерополимеры (Мг-10^4-6дальтон), состоящие из остатков 20 а-аминоксилот (со средним весом -110 и г-0.36 нм), связанных пептидной связью (-NH-CO-).

Белки - важнейшая часть пищи и состава животных, составляя больше половины сухой массы их клеток. Неограниченное разнообразие белков позволяет выполнять им множество основных функций, определять фенотип, кодируясь генотипом. Небольшие белки, например, рибонуклеаза и лизоцим состоят всего из 124 и 129 остатков АК, наиболее крупные - у вирусов, например, ВТМ включает 2130 полипептидных цепей из 336 тыс. остатков (Мг - 40 млн.). Простые белки называются протеинами, сложные - содержащие небелковую часть, называемую простетической группой - протеидами.Например, липо-, глико- и нуклео-протеиды в качестве простетической группы содержат липид, углевод и НК (например, вирусы, хромосомы и рибосомы), фосфо- и флаво-протеины - фосфат (казеин, вителлин желтка) и ФАД (дегидрогеназы), хромо- и металло-протеины - пигмент и металл, как фитохром, гемо-протеиды, нитратредуктаза. Так, обычные дыхательные пигменты содержат окисляемые металлы:гемоцианин (в плазме ракообразных, головоногих и улиток) - медь, синеет при окислении, зеленый хлорокруонин, бесцветный гемоэритрин и пурпурный гемоглобин - железо, краснеют при присоединении О2 (Без пигментов растворимость О2 в 100 мл крови 0.2 мл, с гемоцианином - 2-8, с гемоглобином - от 2-7 в плазме молюсков и червей, 9, 10 и 11 мл в клетках рыб, рептилий и амфибий, до 18 и 25 мл у птиц и млекопитающих). Строение белков. Обычно рассматривают 4 уровня организации белков - первичная структура - линейная последовательность АК, вторичная - пространственная, определяемая Н-связями внутри (предложенная Полингом в 1951 г. а-спираль) или вне цепи (в-структура), третичная, определяемая дисульфидными связями и гидрофобными взаимодействиями (см.выше), и четвертичная - при взаимодействии субъединиц. Первичную структуру белка - гормона инсулина всего из 51 АК (Мг=5733) впервые расшифровал Ф.Сэнгер в 1944-54 гг. (после изобретения распределительной хроматографии - разделения АК в двух растворителях, на бумаге). Замена даже единственной аминокислоты, например, Глу на Вал в гемоглобине, может привести к частичной потере функции его (серповидной анемии). Сравнение последовательностей гомологичных белков разных видов позволяет судить об их общности, таксономическом родстве. Вторичная структура типа а-спирали - фибриллярная характерна для кератина - структурного белка волос, шерсти, ногтей, когтей и рогов, перьев и кожи позвоночных. Его твердость и растяжимость зависят от степени окисления и сшивки цепей - числа дисульфидных мостиков (при “перманентной” прическе восстанавливаемых и замыкаемых снова). в-слой- складчатый - характерен для глобулярной формы, фиброина из ряда антипараллельных цепей, обеспечивающего гибкость шелка. У фибриллярного белка коллагена три цепи тропоколлагена из ~1000 остатков свиты в тройную спираль и нерастяжимость его важна в сухожилиях, костной и другой соединительной ткани. Свертывание большинства белков в компактную глобулу называется третичной структурой, а полипептидных цепей - четвертичной. Кроме водородных, ионных и дисульфидных связей их определяют и гидрофобные взаимодействия - неполярных групп, скрываемых внутри. Так, после открытия в 1953 г. расшифровки дифракционных картин белков при присоединении тяжелых атомов - металлов Кендрью и Перутц с помощью ренгеноструктурного анализа определили структуру миоглобина. Первичная структура его представляет цепь из 153 АК (Мг=16890), вторичная - на 3/4- а-спирали, третичная - компактно свернутая глобула с простетической гемо-группой. Она близка одной в-цепи более сложного - гемоглобина (574 АК, Мг=64458), состоящего из 4 субъединиц, а- и в-цепей из 141 и 146 АК. Их взаимодействие - четвертичная структура определяет био-функции, например, эффект Бора, вытеснение СО₂-О₂, отсутствующие у миоглобина. Денатурация и ренатурация белков При нагревании (например, яичного белка до 65 С), действии кислот, щелочей и солей, органических растворителей (спирт поэтому “дезинфицирует”), радиации и даже механическом движении происходит денатурация, разрушение нековалентных связей, начиная с четвертичной структуры, и белок теряет активность, сохраняя последовательность АК. Но так как вся структура определяется первичной, то может иногда восстанавливаться. Так, в 1960-х Анфинсен показал, что полностью денатурированная рибонуклеаза из 124 АК в солевом растворе сама свернулась и приобрела ферментативную активность (НП-72). Функции белков:строительная - структурные белки (органоидов, цитоскелета, волос и сухожилий), двигательная (актин и миозин мышц, тубулин микротрубочек), каталитическая - ферменты всех реакций клетки, транспортная (гемоглобин - О₂, СО₂, мембранные насосы), защитная (антитела - В-лимфоцитов, связывающиеся с чужими - антигенами), регуляторная (гормоны), запасная (запас АК, могущих превращаться в другие белки^6б, глюкозу или кетоновые тела^6в) и энергетическая (обеспечивает 10-15% энергии, образуя Н₂О, СО₂, NH₃- ядовитый и превращаемый печенью¹¹). Они и ферменты подробнее рассматриваются в ч.2. Молекулярной биологии (Второе задание). Ферменты - биокатализаторы, увеличивающие скорость реакции, не расходуясь в ней. После того как вопреки Пастеру в 1897 г. Бюхнер обнаружил брожение без клеток, выяснили, что для каждого его этапа нужен особый фермент, а в 1926 г. Самнер доказал, что кристаллизованный им белок является ферментом (уреазой). Все ферменты - глобулярные белки (хотя в 1980 открыли и “рибозимы”), соединяясь с субстратом (активным центром) в фермент-субстратный комплекс и осуществляя до миллиона превращений в минуту. Большинство ферментов узкоспецифичны (за исключением ряда гидролитических, общих для типа, например, пептидной связи), что Фишер в 1890 г. объяснял соответствием формы их, как “ключа и замка”. Исходя из данных о динамике, Кошланд в 1959 г., предложил гипотезу “индуцированного соответствия”, с изменением формы фермента- подобно перчатке. В 1967 г. на основе расшифрованной трехмерной структуры фермента лизоцима Филлипс предложил механизм гидролиза им полисахаридов, в 70-х - трипсина и химотрипсина с близкиси активными центрами и функциями Сер, Гис и Асп.

Скорость ферментативной реакции измеряется количеством субстрата или продукта, изменяемым за единицу времени. Она зависит от концентрации фермента, субстрата и ингибиторов, Т и рН. Аллостерическими (от алло- другой) называют ферменты, регулируемые не субстратами, а другими веществами, связываемыми с удаленными от активного центра участками. Так, фосфофруктокиназа гликолиза аллостерически ингибируется АТФ, включаясь при его расходе. Конечный продукт может быть ингибитором (по принципу отрицательной обратной связи) и первого на пути фермента, аллостерическим.

Каковы функции и классы ферментов? В 1961 г. биохимики утвердили номенклатуру ферментов, разделенных на 6 групп по типу катализируемой реакции. Рабочее название включает субстрат, тип реакции и окончание -аза.

Группа	Катализ.реакция	Схема реакции	Примеры	Применения
1. оксидоредуктазы	перенос Н, О, е-	АН+В<=>A+BH A+O<=>AO	дегидрогеназа, оксидаза	глюкозоксидаза- удаление О, каталаза
2. трансферазы	перенос С,P, N-	AB+C<=>A+BC	трансаминаза киназа	АСТ, АЛТ- диагност.креатинкиназа
3. гидролазы	гидролиз на два	AB+H2O<=>AOH+BH	липаза, пептидаза	протеазы,амилаза
4. лиазы	негидр. присоед.-отщепление	RCOCOOH<=>RCHO+CO2	декарбоксилаза, альдолаза,фумара
5. изомеразы	перестройки	AB<=>BA	мутаза	глюкозо-изомераза
6. лигазы	соед.за счет АТФ	X+Y+ATP<=>XY +ADP+P	синтетазы

Как ферменты применяются в промышленности?

Из ред-окс ферментов глюкооксидаза и каталаза широко применяется в пищепроме, виноделии, производстве напитков, молока для удаления кислорода, глюкозы, Н₂О₂, стабилизации цитрусовых терпенов, также используются нитрат- и диацетил-редуктазы, алкогольдегидрогеназа из дрожжей, в резиновой промышленности каталаза применяется наоборот, для получения кислорода для превращения латекса в губчатую резину. Однако абсолютное большинство применяемых ферментов - гидролазы - амилазы, пектиназы, целлюлазы - для удаления или осахаривания полисахаридов, осветления соков, фильтрации, в хлебопекарной - для СО₂, танназы - для удаления полифенолов в пивоварении, липазы - в производстве сыров и жирных кислот гидролизом масел, для аромата. Больше же всего используются протеазы - в пищепроме - для обеспечения азота для брожения, пепсин, трипсин - в производстве “готовых каш” и детского питания, в фармацевтике для пищеварения, папаин - в пивоваренной и мясной - для регулирования пены и мягчения мяса, добавки к зубным пастам (для удаления налета), в сыроделии, для свертывания молока в казеин применяется реннин, бактериальные протеазы - в получении гидролизатов, кормов, текстиля- для извлечения шерсти из шкур, в кожевенной для отделения волоса и смягчения кожи, фицин - в фотографии для смывания желатины.

В иммобилизованном виде применяется, например, глюкозо-изомераза для конверсии в фруктозу, эстеразы для производства терпеновых эфиров - запахов, липазы - для взбивания и эмульгирования яичных продуктов, получения триацилглицеролов из кормов (межмолекулярной этерификацией), в-галактозидаза и протеазы для стабилизации молока.

Белки в отличии от других биомолекул синтезируются только на матрице ДНК - генах.

В типичной клетке содержится более 500 различных ферментов (чаще - более 1000), минимальный геном типа микоплазмы - столько же генов.

Согласно данным Celera Genomics геном человека состоит из 39192 белок-кодирующих генов, из определенных функций включая -1/7 ферментных:656 оксидоредуктазы, 610 трансферазы, 1227 гидролазы (4% всех), 117 лиазы, 163 изомеразы, 56 лигазы, 313 синтетазы и синтазы, 868 киназы; еще 7.5% - 2308 составляют ферменты, обслуживающие НК, 1850 - факторы транскрипции и т.д.

Также приводились данные по числу генов органов и тканей человека - из 30 тыс. больше всего связаны с системой воспроизводства (по -2 тыс. - эмбрион и матка, по 1.2 тыс. - простата, яичко, 500 и 370- яичник и семенник), 3.2 тыс. - мозг, по 2 тыс.- печень, легкие, порядка 1 тыс. - сердце, железы - щитовидная, поджелудочная, селезенка, молочные, устилающие клетки, кисть и т.д.

Нуклеиновые кислоты - полинуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трех частей - азотистого основания, сахара - пентозы и остатков фосфорной кислоты. Если сахар - рибоза, то кислота называется рибонуклеиновой (РНК), если дезоксирибоза - дезоксирибонуклеиновой (ДНК) - из-за замены ОН на Н она более инертна и используется для хранения генетической информации. В НК обычно встречаются 4 основания - 2 пурина - аденин или гуанин, и 2 пиримидина - цитозин или урацил - в РНК, или тимин (метилурацил) - в ДНК. При конденсации с сахаром они образуют нуклеозиды, а те с Н₃РО₄- нуклеотиды. Нуклеотиды конденсируются реакцией фосфата одного с сахаром другого, полинуклеотиды связаны фосфодиэфирными мостиками между 3` и 5`- сахаров. Нуклеиновые кислоты назвали так из-за обнаружения в ядрах клеток (Мишер, 1868), но рассматривали их как инертную часть нуклеопротеидов до открытия в 1940-х Эвери и другими изменения генетических свойств пневмококков с помощью ДНК - роли генетической информации (ранее связываемой с белками). В 1947 Э.Чаргафф сообщил, что количество 4 нуклеотидов в разных ДНК различно, в 1951 г. - что количества А и Т, Ги Ц примерно равны - у человека - 30.9 и 29.4 А и Т, 19.9 и 19.8 Г и Ц, у пшеницы - 27.3 и 27.1, 22.7 и 22.8, у дрожжей 31.3 и 32.9, 18.7 и 17.1, у Е.соli 24.7 и 23.6, 26 и 25.5 (хотя у бактериофага фХ174 24.6 и 32.7, 24.1 и 18.5). Уотсон и Крик предположили, что ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидов, удерживаемых спариванием этих оснований в соседних цепях за счет Н-связей, и может определять удвоение (Тогда Л.Полинг, установив а-структуру фибриллярных белков, собирался установить ее и у ДНК. Рентгенограммы М.Уилкинса говорили в пользу спирали с периодом 0.34 нм. Оборот спирали приходится на 3.4 нм- 10 оснований). Число пуринов и пиримидинов, как и размер пар их поэтому постоянны, цепи комплементарны и последовательность нуклеотидов одной цепи определяет другую, может быть матрицей для образования другой. Т.о. структура была связана с функцией на молекулярном уровне, а ген из таинственного стал реальным “молекулярным” объектом и основой современной молекулярной биологии. Предполагают, что и все другие свойства живых организмов (движение, чувство, память) могут быть полностью поняты на молекулярном уровне (или на более фундаментальном, например, электронном, по Сент-Дьерди). При весе п.н. 660 для среднего белка из 300 АК нужна ДНК 660х3х300=6х10⁵и т.о., по Уотсону, из ее веса можно оценить число белков и веществ в ее клетке ~10^-6M, например, для бактерий с порядка 10⁹- порядка тысячи генов и белков (минимальный геном порядка 500) - и большинство их мы уже знаем. Помимо НК нуклеотиды входят в коферменты - АТ-Д-ТФ, цАМФ, СоА, НАД, ФАД и др. Для работы многих ферментов нужны небелковые “кофакторы”, могущие быть неорганическими ионами (могущими изменять форму ферментов), “простетическими группами” типа гема, ФАД или коферментами.

Что такое коферменты и витамины?

Большинство реакций и ферментов (кроме 3 и 4 классов, гидролизующих) функционируют с помощью коферментов - малых молекул, обратимо выполняющих соответствующие реакции (ред-окс - НАД+ и НАДН, ФАД и ФАДН₂, переноса и т.п.). Они поэтому необходимы, но часто не синтезируются и дефицитны, вызывая болезни - авитаминозы.

Витамины часто являются основой или предшественником коферментов (РР - против пеллагры - никотиновая кислота - не синтезируется животными, но необходима для никотинамида и НАД, рибофлавин, В₂- ФАД и т.д.). Витамин С - аскорбиновую кислоту (от скорбут - цинга, потребность ~0.1 г в сутки) большинство животных синтезирует сами. Название вит-амины связывало их с жизненно важными аминами, но многие (А, С, Д и другие) не содержали азота. Исторически еще Гиппократ лечил куриную слепоту печенью, цингу описал летописец 8 крестового похода Жуанвиль, англичане в 17 веке лечили ее лимонами, рахит - рыбьим жиром. Марзари в 1803 г. связывал пеллагру с неполноценностью питания кукурузой, Ф.Мажанди в 1816 г. установил невозможность нормального роста животных, “если они получают только основные поддерживающие жизнь вещества - сахар, маслообразные и альбуминоидные вещества”. В 1880-х тоже показал Н.Н.Лунин и К.Такаки, лечивший бери-бери, Х.Эйкман создал ее модель на курицах, излечиваемых фактором рисовых отрубей (1897) (она вывела из строя 1/6 японской армии, а цингой болело полмиллиона русских). Польский биохимик Казимир Функ в 1912 г. сформулировал “теорию витаминов” и “авитаминозов” (разделив с Эйкманом НП-29) - вопреки убежденности всех в связи всех болезней с бактериями, по Пастеру. Выделенный им фактор - “витамин В” - тиамин стал первым выделенным в чистом виде и синтезированным (Р.Ульямс, 1936). Позже выдвинули идею антивитаминов (Боас, 1926) и метаболизируемых в активные провитаминов, типа А - каротинов.

Какое значение может иметь отсутствие синтеза коферментов и витаминов? Поскольку они функционируют циклически, необходимы в крайне малых количествах, и из-за специфики и сложности синтеза выгоднее получать их из пищи, экономя гены и ферменты. Это же позволяет бороться с синтезирующими их микроорганизмами - например, первое антибактериальное средство - сульфаниламиды действуют благодря подобию аминобензойной кислоте - составляющей фолата, кофермента обмена С₁-фрагментов, заменяя его у бактерий, но не у получающего фолат готовым человека.

Как важнейшие коферменты можно рассматривать нуклеотиды и АТФ.

Каковы строение и функции АТФ? АТФ- аденозинтрифосфат - нуклеотид из аденина, рибоза и трех остатков Н₃РО₄. Он выступает в роли г.о. “энерговалюты”. За счет гидролиза связи полифосфатных остатков выделяется энергия ~40 кДж/моль и она называется макро-эргической, столько же требуется для обратной реакции синтеза - фосфорилировании:АТФ+Н₂О<=> АДФ+ Н₃РО₄+40 кДж. Чтобы потенциал, гидролиз АТФ не сводился к выделению тепла необходимо сопряжение, обычно путем переноса части АТФ (к нуклеофилу - нуклеофильного замещения у одного из трех атомов фосфора. При реакции концевого Ру освобождается АДФ, внутреннего Ра- пирофосфат и аденилат, реже затрагивается средний Рв с переносом пирофосфата и освобождением АМФ, еще реже- С5’ - с освобождением триполифосфата). Так, синтез ацетил-КоА требует +35 кДж/моль и осуществляется по схеме СН3СОО- +АТФ=СН3СО-ОФ+АДФ, СН₃СOOФ+СоАSH -> CoA-S-COCH₃+Ф.

Роль как химического субстрата - для других нуклеотидов, Гис, полинуклеотидов (возможно - де-ароматизации, фотореакции). С реакционноспособностью и возможностями конденсатов вида (HCN)₅+(CH₂O)₅мог быть связан и выбор аденозина как носителя “макроэргических” связей фосфора. Аденозиновый фрагмент может служить “ручкой”, связываемой с белками-катализаторами; их несут и другие НТФ, КоА, НАД, ФАД. УДФ-глюкоза участвует в метаболизме сахаров, ЦДФ-холин - в синтезе фосфолипидов, ацетил-АМФ - в синтезе ацетил-КоА. Группы сахара и фосфатов могут давать ионные и водородные связи с белками.

Т.о. энергия АТФ используется для большинства процессов клетки - синтеза, движения, тепла, потенциалов и импульсов, свечения, сопряжена с энергией /\Н+ через Н+АТФазу. Энергию для фофорилирования поставляет дыхание или фотосинтез (в митохондриях и хлоропластах, по схеме:солнечная энергия ->АТФ<=дыхание=> органические вещества ->рост). Около половины энергии при этом обычно не запасается в АТФ, связаны с изменением концентраций или теряется, рассеивается в виде тепла. При концентрация в клетке ~0.04%, в клетках мышц~0.5% общее количество - десятки грамм его должны расщепляться тысячи раз.

Задачи:1. Сколько АТФ нужно при 50% запасании энергии пищи - 2 Мкал/сутки, с какой частотой обновляется? (46 кг - 2/3 веса, за минуты)

2. Какая энергия нужна для синтеза АТФ в печени при физиологической концентрации ее, АДФ и Ф 3.5, 1.5 и 5 мМ, при стандартных (1М) /\G=7.3 ккал? (11 ккал/моль).

3. Концентрация АТФ и креатинфосфата в мышцах ~8 и 40 мМ, насколько хватит их спринтеру при расходе 300 мкмоль/мин на 1 г мышц. Как возможен длительный бег? (1.6 и 8 с, за счет расщепления глюкозы, АК и ЖК).

1.3. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ Организмы разделяют по способу питания, источникам вещества и энергии. Источником энергии может быть световая или химическая - соответственно у фото- и хемо-трофов (от греч. troph - питание). Поскольку органическое вещество - соединения углерода, то важнейшим является источник углерода - другой органический у гетеротрофов и неорганический - СО₂- у автотрофов. Среди главных царств живого растения являются фотоавтотрофами, животные и грибы - хемогетеротрофами, питающимися за счет растений (гетеротрофны и клетки растений без хлорофилла, паразитических цветковых, например, повилики (Cuscuta). Миксотрофные организмы типа эвглены совмещают оба типа. К фотогетеротрофным относят некоторые бактерии, например, пурпурные несерные, к хемоавтотрофным - азотбактерии типа Nitrosomonas).Гетеротрофы питаются готовыми органическими веществами мертвых остатков (сапротрофы) или живых организмов (паразиты). Важнейшими сапротрофами являются бактерии гниения и брожения, расщепляющие соответственно азот- и углерод-содержащие вещества. Они возвращают неорганические NH3, H2S, CO2 в атмосферу, энергия расщепления поддерживает их жизнедеятельность, может вызывать воспламенение сырой соломы, зерна. При дыхании всех организмов выделяется СО2, путем фотосинтеза превращаемый в органические соединения. Это составляет основные потоки обмена веществ, углерода и энергии организмов и биосферы, важные для экологии (раздел 5). Источники энергии хемотрофов связаны с геохимическими циклами и круговоротами вещества в природе, с окислением и восстановлением элементов разных групп Периодической системы Менделеева - серы, азота, водорода, железа и марганца - у серо-, азот-, железо-бактерий. К ним близки и использующие неорганические соединения углерода - С₁- от СН₄и СН₃ОН до СО, НСООН и СО₂, метанобактерии. Изменение степени окисления их возможно от ЭНп до НпЭО₄, где 8-п - номер группы. Бактерий соответственно разделяют на окисляющих и восстанавливающих (редуцирующих). Так, бесцветные серобактерии (например, Thiobacillus) окисляют сероводород (-2) до серы (0) или, при его недостатке, до сульфата (+6):H₂S+1/2 O₂= S + H₂O +136 кДж, +3/2 O₂-->H₂SO₄+318 кДж. Нитрифицирующие бактерии - аммиак NH₃(-3) до +3,+5: NH₃+3/2 O₂=HNO₂+H₂O+332 кДж (Nitrosomonas), далее +1/2 O₂-> HNO₃+ 71 кДж (Nitrobacter), тогда как азотфиксирующие восстанавливают атмосферный азот N₂(0) до -3 - аммиака NH₃и аминогрупп АК, денитрифицирующие - обратно. Водородные бактерии окисляют водород Н₂+1/2 О₂=Н₂О+118 кДж, другие - образуют водород, железобактерии - окисляют Fe⁺²в ⁺³(+81 кДж). Хемосинтез поэтому важен для экологии и кругооборотов азота и серы (1.21). Образуемая серная кислота разрушает горные породы, каменные и металлические сооружения, выщелачивает руды. Серобактерии также применяются для очистки сточных вод, окисления до сульфатов, водородные - для пищевого и кормового белка, регенерации атмосферы. Железобактерии образуют залежи Fe(OH)3, болотную руду. Пластический обмен всегда должен основываться на соединениях углерода и если хемотрофы используют для энергетического другие соединения, то большинство и все эукариоты - те же соединения углерода. Поэтому у них пластический и энергетический обмен неразрывны. Обмен вещества и энергии, обеспечивающий сохранение жизни, включает диссимиляцию - расщепление и ассимиляцию - синтез составляющих организма из поступающих извне и изнутри. Пища должна превращаться в вещества организма, хотя не содержит большинства их, должных синтезироваться им, из простейших (так микробы могут все строить из глюкозы, ацетата, даже С1- и минеральных солей и в каждой клетке, нпаример, ~1 мкм с 10^-12г - 10¹²а.е. E.coli содержит тысячи их, как и генов и белков. Однако при большем разнообразии они растут лучше - на глюкозе E.coli удваивается при 37^оза час, при добавке АК и пуринов-пиримидинов - за 20 мин (но при 20^оза 2 ч), а для большинств же животных и человека необходимы и другие. Синтез углеводов и жиров больше связан с энергетическими затратами, других липидов и белков, тысяч ферментов - с обновлением мембран и компонент, согласно геному).Расщепление обычно связано с окислением и выделением энергии, и синтез поэтому требует затрат энергии и восстановителей (1.4). Расщепление сложных веществ до общих низкомолекулярных (могущих служить источником обратного синтеза сложных) обычно включает 3 этапа:1- подготовительный - расщепление полимеров до мономеров, полисахаридов до моносахаридов - глюкозы, белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот (гидролитические ферменты - амилазы, пептидазы и липазы, например, находятся у человека в пищеварительном тракте). 2 - бескислородный распад глюкозы, сопряженный с образованием АТФ в цитоплазме клеток. При гликолизе расщепление глюкозы до 2СН₃СНОНСООН дает ~200 кДж/моль и запасается 2 АТФ, порядка 2х40/200 или 40%. 3- окисление в митохондриях, включает еще три стадии. На первой пируват из глюкозы, аминокислоты (через пируват и С_4-5-кислоты) и жирные кислоты окисляются до активного ацетата, на второй - в цикле Кребса до СО₂и Н₂О, восстанавливая переносчики НАД+ и ФАД до НАДН и ФАДН₂, окисляемых на третьей стадии в дыхательной цепи кислородом с образованием АТФ. Что такое дыхание, анаэробное и аэробное? Дыхание является основным источником энергии, получаемой за счет окисления. Помимо физиологического - вдыхания О₂с выделением СО₂легкими (называемого внешним или газообменом), оно означает и окисление на молекулярном уровне (называемое внутренним, тканевым или клеточным) и даже внутримолекулярное, не требующее внешнего окислителя - в анаэробных условиях, открытое Пастером. Какие преимущества имеют аэробное и анаэробное дыхание? При “анаэробном дыхании” не нужен внешний окислитель и организация обеспечения им, поэтому микроорганизмы могут экономить органеллы, ферменты и гены, а крупные организмы, в т.ч. человек - получать энергию гораздо быстрее, для быстрой реакции и выживания. Но при аэробном дыхании возможны гораздо большие окисление, энергия и множество субстратов. Поэтому у человека и позвоночных анаэробный гликолиз включается лишь на короткое время при необходимости, например, беге на 100 м - когда кислород не успевает обеспечить ткани. Для этого существуют и быстрые и медленные мышечные волокна, работающие за счет анаэробного гликолиза и аэробного дыхания (различаемые и цветом - как белое и красное мясо и рыба - так как для обеспечения кислородом нужен железо-содержащий гем, митохондрии и миоглобин - красного цвета). (После Лавуазье думали, что кислород непосредственно окисляет органические соединения, но большая часть реакций биоокисления идет без О, путем дегидрогенирования, как предположил в 1912 г. Виланд). Первые стадии аэробного дыхания совпадают с анаэробным, сводясь к дегидрогенизации - отнятию водорода окислительными коферментами (НАД+ и ФАД). В соединении с белками они образуют активные ферменты, а далее передают Н (или е-, Н+) другим коферментам и кислороду (т.о. подобно ферментам не расходуясь). Глюкоза в анаэробном процессе гликолиза расщепляется до двух молекул пирувата по суммарной реакции:С₆Н₁₂О₆+ 2НАД+ +2АДФ+2Н₃РО₄=2СН₃СОСООН + 2НАДН+2Н+ + 2АТФ. Если кислорода не достаточно, то для возвращения окислителя НАДН может восстанавливать пируват до молочной кислоты и НАД+ может реагировать с глюкозой снова. В результате она расщепляется с образованием двух молекул АТФ и молочной кислоты:НАДН+СН₃СОСОО- + Н+=СН₃СНОНСООН+НАД+. Эта реакция происходит в мышцах. Раньше их утомление и боль объясняли накоплением молочной кислоты (но т.к. при искусственном возбуждении мышцы усталость не мешала, ее связали с недостатком питания нейтронов), она должна удаляться с кровью и превращается позже в печени обратно в глюкозу. Таже реакция лежит в основе скисания молока, приготовления молочнокислых продуктов, квашеной капусты. Молочная кислота может декарбоксилироваться до этанола (СН₃СНОНСООН=СН₃СН₂ОН+СО₂), образуемого и из пирувата СН₃СОСООН ->CH₃CHO -[H]->CH₃CH₂OH. Эта реакция при процессе брожения (Гей-Люссак, 1810) лежит в основе приготовления вина и алкогольных напитков. В 1837 г. установили, что она требует живых организмов - дрожжей, Пастер установил химические и физиологические функции микроорганизмов, в т.ч. анаэробную жизнь - что кислород не нужен для распада глюкозы (и что кроме спирта образуются молочная кислота и глицерин). Он считал ферменты только живыми, но в 1897 г. Бюхнер обнаружил брожение и без живых клеток, в экстракте дрожжей, после этого подробно изученное. Мейергоф обнаружил, что в мышце без кислорода гликоген через глюкозу также превращается в молочную кислоту и стало ясно единство биохимии и энергетики живого, связанное и с эволюцией. В отличии от факультативных анаэробов типа дрожжей для облигатных анаэробов типа редуцирующих бактерий или клостридий - возбудителей ботулизма, столбняка кислород вообще губителен. Количество АТФ, образуемого при гликолизе, оказалось гораздо меньше образуемого в анаэробных условиях. Это означает, что кислород окисляет пируват и НАДН далее, до СО₂и Н₂О. Этот процесс можно разделить на три этапа - окислительное декарбоксилирование пирувата до “активного ацетата” (ацетил-КоА, где КоА- кофермент ацилирования), цикл Кребса (ЦТК) и цепь переноса электронов (окислительного фосфорилирования). Суммарные реакции имеют вид:1. СН₃СОСООН+ КоА+НАД+=СН₃СО-КоА+ СО₂+НАДН+Н+.2. СН₃СО-КоА+3НАД+ +ФАД+АДФ+Н₃РО₄+3Н₂О= 2СО₂+ КоА+3НАДН+Н+ +ФАДН+АТФ(условно:СН₃СООН+2Н₂О=2СО₂+8[H], для глюкозы:С₆Н₁₂О₆+6Н₂О= 6СО₂+4АТФ +24[H]3. 4[H]+O₂=4Н+ +4е- +О₂=2H₂O, или 24[H]+ 6О₂=12Н₂О +34АТФ. Детали расщепления, катаболизма этих и других соединений довольно сложны. Какая энергия выделяется при расщеплении глюкозы и почему? Энергия примерно обратно пропорциональна степени окисления С, ~ числу Н, но так как в ряду СН₄-> СН₃ОН -> СН₂О -> НСООН-> СО₂энергия каждой стадии растет, возможен выигрыш энергии, например, за счет перехода от СНОНСНО - групп сахаров к СН₂СООН группам кислот (Е=200-150=50 кДж/моль), достаточный для синтеза АТФ. Поэтому в реакции Глюкоза ->2 лактат+2Н+, /\G=-47 ккал/моль, тогда как Глюкоза+6О₂->6 СО₂+6Н₂О, /\G=-686 ккал/моль (2880 кДж/моль). Какое количество АТФ получается из молекул глюкозы, лактата, пирувата, ацетата? Образование АТФ происходит при окислении [H]-коферментов в дыхательной цепи, обычно из 1 НАДН получается 3 АТФ (см.далее, 1.33). Из ацетата поэтому образуется 12 АТФ (экв.4 НАДН как из СН₄+СО₂), из пирувата еще НАДН - 15, из лактата еще НАДН - 18, но 1 тратится на АцСоА (1300 кДж/моль выделяется, 585 рассеивается), из Ала с затратами и на вывод азота - 15 АТФ, из глюкозы 2х18+2=38. В стандартных условиях (1 М) выход 38х7.3/686=0.4 или 40%, но при реальных концентрациях (<<1 М) ближе 80%. В разных тканях число АТФ может различаться, т.к. НАДН гликолиза из цитоплазмы может пройти через мембрану митохондрий только с помощью переносчиков (челночного механизма, т.о. окисляющего Н цитоплазмы, предотвращая накопление молочной кислоты), передающих [H] либо НАДН- в клетках сердечной мышцы, либо флавопротеину - в мышечных и нервных клетках, и в них из ФАДН₂образуется 2, а из глюкозы - 36 АТФ. Как может использоваться пируват? Как осуществляется окисление до ацетата? Пируват - важное промежуточное соединение, объединяющее различные пути метаболизма. Он может превращаться в разные соединения, обратно в углеводы и аминокислоты, и получается при их окислении. В митохондриях он окисляется, соединяясь с коферментом ацилирования - КоА в ацетил-СоА и СО₂(В пируватдегидрогеназный комплекс входит 3 фермента и 5 коферментов, связанных с необходимыми человеку витаминами - тиамин (ТРР), рибофлавин и никотинамид (в ФАД и НАД), липоевая и пантотеновая кислота (СоА)). Как происходит окисление ацетата, в цикле Кребса? В 1930-х Сент-Дьерди обнаружил, что прибавление С₄-кислот - янтарной, фумаровой, яблочной и щавелеуксусной вызывает поглощение кислорода в 7 раз больше, чем нужно для полного сгорания их. Кребс нашел, что они, а также С₆- лимонные и аконитовая кислоты, и С₅- кетоглутаровая стимулируют и окисление пирувата, во много большем количестве, и что оно ингибируется малонатом с накоплением сукцината, кетоглутарата и цитрата. Щавелеуксусная же конденсировалась с ацетатом в лимонную. Т.о. эти кислоты могли образовать цикл, обнаруженный во всех тканях (Кребс разделил НП-53 с Липманом, “отцом” АТФ-цикла).

?:Как средство борьбы с грызунами применяется фторацетат, встречающийся в природе в африканском растении. При его действии уменьшалась концентрация всех полупродуктов ЦТК кроме цитрата (увеличилась в 10 раз). Почему? Смертельно ли отравление?

Превращение С₄-кислот:сукцинат - фумарат - малат - оксалоацетат подобно пути в-окисления жирных кислот (с СООН вместо СН₃)- и завершает его- для ацетата. Зачем нужен такой цикл? Предельная СН₃-группа ацетата окисляется только в жестких условиях, поэтому выгоднее соединить ее с другим, СО-группой для более легкого окисления (ОН-группы). Возможны и другие схемы расщепления, показывающие общее и различие реакций в разных комбинациях. В глиоксилатном цикле изоцитрат расщепляется не до С₅+ СО₂, и не обратно в оксалоацетат+ ацетат, а в сукцинат и глиоксилат (соединяемый с ацетилом в малат, окисляемый обратно в оксалоацетат), В результате ацетат конденсируется в сукцинат и может далее превращаться в глюкозу и служить не только “топливом”, но и источником скелета углеводов. (Интересно, что впервые циклический механизм - для окисления дегидрогеназами предложил еще в 1920 г. Турнберг, включая подобную конденсацию 2СН₃СООН -[O]->(СН2СООН)₂и далее -О-> фумарат -Н₂О-> малат -О-> оксалоацетат -О-> СО₂ + пируват -О-> СО₂+ СН₃СООН (ацетат) - обнаруженные позже. В этом смысле цикл Кребса может считаться вторичным). Где важен глиоксилатный цикл? Животные не имеют изоцитрат-синтазы и малат-лиазы и получают углеводы иначе. У растений же до фотосинтеза - в прорастающих семенах жиры через ацетат в глиоксисомах (разновидности пероксисом, содержащих каталазу) превращаются в глюкозу и целлюлозу, до израсходования. Кроме того, глиоксилатный цикл может пополнять запасы С4-кислот - катализаторов ЦТК, т.к. они могут использоваться в других реакциях. Какое значение еще имеет ЦТК и где используются его соединения? Кроме энергетического, ЦТК имеет большое биосинтетическое значение. Оксалоацетат и кетоглутарат превращаются трансаминазами в Асп, Глу и АК их семейств. Аммиак т.о. выводит кислоты из ЦТК и может быть поэтому сильно токсичен. Для функционирования ЦТК их запасы должны пополняться (вспомните опыты Сент-Дьерди). Это обеспечивается т.н. анаплеротическими (“пополняющими”, по Корнбергу) реакциями, например, из тех же аминокислот или пируват-карбоксилазой (СН₃СОСООН+ СО₂+АТФ+Н₂О<=> НООССН₂СОСООН+АДФ +Н₃РО₄, /\G=-0.5 ккал/моль) - подобной используемой для фиксации СО₂С4-растениями (1.43). Какие еще продукты могут получаться из глюкозы? Окисление глюкозы может давать и другие продукты - например, сахарные кислоты и их производные, пентозы и восстановители - если вместо гликолиза осуществляется пентозофосфатный путь (шунт). Он может давать в разных клетках 10-90% энергии расщепления углеводов при дыхании.

Т.н. фосфоглюконатный или пентозофосфатный цикл (ПФЦ) используется для получения рибозы для нуклеотидов (коферментов и НК) и восстановителя НАДФН. НАДФ+ окисляет глюкозо-6ф до 6ф-глюконата и далее рибулозо-5ф, изомеризуемый в рибозо-5ф (НОСН₂(СНОН)₄СНО -> НОСН₂(СНОН)₄СООН -> C₅Н₁₀О₅+СО₂). Пентозы также могут перегруппироваться обратно в глюкозу, как в цикле Кальвина при фотосинтезе (1.4). Также может образоваться глицеральдегид-3ф для гликолиза и ЦТК. В итоге ПФЦ дает 36 молекул АТФ и имеет меньше реакций и ферментов, чем в гликолизе и ЦТК. В жировой ткани этот путь обеспечивает НАДФН для восстановления ацетилКоА до жирных кислот, синтеза липидов, в эритроцитах - для защиты ненасыщенных ЖК мембран и Fe++ гемоглобина от окисления, а при наследственных болезнях с нарушением дегидрогеназ ПФЦ гемолиз, разрушение мембраны эритроцитов приводит к анемии (у миллионов людей Африки и Азии).

Глюкоза через УДФ может окисляться и в глюкуронат СНО(СНОН)₄СООН (входящий в полисахариды (1.22), соединительные ткани, способствующий обезвреживанию чужеродных веществ). Он восстанавливается в изомерный глюконату L-гулонат и окисляется, через циклизацию его в гулонолактон, в аскорбиновую кислоту С₆Н₈О₆. У человека, обезьян и морской свинки нет гулонолактон-оксидазы и аскорбат они должны получать с пищей, как витамин С (Вероятно, она нужна как восстановитель, окисляясь в дегидроаскорбиновую кислоту. Она участвует в гидроксилировании Про в коллагене и без нее соединительная ткань разрушается - при цинге - скорбуте).

Какие углеводы еще могут вступать в гликолиз, с чем связаны первые стадии его? Гликоген сначала фосфорилируется в глюкозо-1-фосфат, как и галактоза, далее в 6-фосфат, как и глюкоза, тот - в фруктозо-6-фосфат, как и фруктоза и манноза, далее через главный регулятор - фосфофруктокиназу (ингибируемую АТФ и цитратом и стимулируемую АМФ) и фруктозо-1.6-бифосфат распадается на 2 глицеральдегид-3-фосфата (могущих получаться и триозокиназой - из триоз и связанных с глицератным путем). Как используются дисахариды? Сами по себе они не способны включаться в гликолиз, без гидролиза ферментами кишечника до гексоз, всасываемых в кровь- например, сахароза при введении в кровь не утилизируется. У многих групп населения из-за дефекта лактазы кишечника молочный сахар - лактоза не переваривается и не всасывается, вызывая понос - и они не употребляют молока. Гораздо реже встречается галактоземия с отсутствием фермента УДФ-глюкозы, превращающего галактозу из лактозы молока в глюкозу и 1-фосфат. Использование жиров Жиры дают гораздо больше энергии, чем углеводы. Способность животных запасать углеводы, гликоген мала и избыток их запасается в жирах. Поэтому когда требуется наибольший запас энергии, например, впадающие в спячку животные и перелетные птицы почти 100% энергии получают из жиров; человек в развитых странах - до половины. Скелетные мышцы при наличии глюкозы и жирных кислот также предпочитают последние.

У человека при весе 70 кг 15% приходится на триацилглицеролы. Сколько энергии т.о. запасается и как долго можно прожить при потреблении 2 Мкал в сутки, сколько теряется веса? (95 Мкал, 48 дней, теряя по 227 г в день).

При участии ферментов - липаз жиры сначала гидролизуются до жирных кислот и глицерина (фосфорилируемого и дегидрируемого НАД+ до триоз-фосфатов, глицеральдегидфосфат через путь гликолиза и ЦТК дает 17 АТФ, в сумме 20-1=19 АТФ). Жирные кислоты путем в-окисления дают гораздо больше, например, стеариновая - 147 АТФ, и покрывают половину энергозатрат мышц скелета, сердца, печени и почек. Как углеводы превращаются в жиры? Промежуточные триозы, глицеральдегид может и восстанавливаться до глицерина и окисляться через пируват до ацетил-СоА. Если количество ацетилСоА превышает возможности ЦТК, избыток его направляется на синтез жиров или, при потребности в энергии, кетоновых тел.

При диабете больные вместо глюкозы окисляют жиры. У них, как и у голодающих и при кетозе скота возможен запах ацетона. С чем это связано?

СН₃СО-СоА конденсируется в ацетоацетат, могущий восстанавливаться в СН₃СНОНСН₂СООН и ацетон СН₃СОСН₃+ СО₂. Эти т.н. “кетоновые тела” используются для переправки энергии с кровью в другие ткани, где обратно превращаются в ацетил и окисляются в ЦТК.

Каковы общие этапы окисления ЖК и ацетата (ЦТК)? 1-3 этапы в-окисления аналогичны превращениям сукцинат - фумарат - малат - оксалоацетат в ЦТК, далее транскетолазы отщепляют от C_nH_2n+1COCН₂СООН (в ЦТК- наоборот, присоединяют) ацетат и цикл повторяется с C_n-2H_2n-3CO-SCoA до С₂- или С₃-ацил-КоА.

Так как почти все ЖК в организме - четные (от масляной СН₃СН₂СН₂СООН до пальмитиновой и стеариновой С_16-18), то предполагалось их образование и распад через С₂-фрагменты. Это доказал в 1904 г. Кноп, впервые использовав “меченые” соединения - присоединив к цепи ЖК фенил. При скармливании меченых ЖК собаке он обнаружил в моче образование 2 разных соединений - бензойной кислоты (точнее, ее конденсата с Гли - гиппуровой) из нечетных и фенилуксусной из четных кислот. О чем это говорит? Ленинджер обнаружил, что для реакции кислот и ацетата необходим АТФ и что окисление их идет в митохондриях.

Каково уравнение окисления пальмиата? Требуется 7 разрывов и коферментов ФАД, НАД+ и КоА, а т.к. из ФАДН₂и НАДН получается 2 и 3 АТФ, то всего C₁₅Н₃₅СО-SCoA+ 7 CoASH+ 7O₂+35(ADP+H₃PO₄)-> 8CH₃CO-SCoA+35ATP+42H₂O. Т.к. из ацетил-СоА в ЦТК образуется 12 АТФ, то всего из пальмиата - 8х12+35=131 АТФ, 1 затрачивается для Ацил-СоА.

Как окисляются нечетные ЖК? Отщепление С₂-фрагментов у них заканчивается не С₂- ацетил-, а С₃- пропионил-СоА. Пропионат образуется также из АК и при брожении у жвачных и используется необычно - карбоксилируется до метилмалоната (не по С₃, а по С₂, причем с “неправильной” стороны, возможно, свидетельствуя о необходимости всех изомеров для организма), изомеризуемого с участием В₁₂в сукцинат. При неспособности этого превращения и недостатке В₁₂возникают болезни.

Использование аминокислот и белков При недостатке энергии из других источников, при голодании и диабете, неспособности использования сахара окисляются и АК из белков (Основную массу их составляют мышцы, поэтому уменьшающиеся). Для превращения в обычные метаболиты АК дезаминируются в оксокислоты, в зависимости от вида далее превращаемые как жирные кислоты или углеводы - пируват. Это окислительное дезаминирование - у позвоночных в печени - отщепляет от них аммиак и 10-15% энергии их тратится на вывод его - азота в цикле мочевины.

Сначала все АК трансаминируются с кетоглутаратом в кетокислоты и Глу, т.о. собирающий аммиак, выполняющий коллекторную функцию:RCH(NH₂)COOH +HOOC/\/COCOOH <=>RCOCOOH +HOOC/\/CH(NH₂)COOH. Глу - единственная АК, способная отщеплять аммиак. NH3 токсичен, вызывает кому (возможно, из-за обратной реакции с кетоглутаратом ЦТК, млекопитающие не переносят его с>0.02 мг/100мл крови) и обезвреживается в печени Глу с образованием глутамина Глн (-COOH +NH₃<=> -CONH₂+ H₂O), а из мышц переносится, образуя из пирувата Ала - одновременно с С₃, идущим на глюконеогенез, возобновление углеводов.

В каком виде выводится азот у различных видов животных? Ввиду токсичности аммиак может использоваться только при избытке воды - у простейших, кишечнополостных, ракообразных и пресноводных костистых рыб, удаляясь в жабрах. Морские животные сталкиваются с проблемой получения пресной воды, наземные - сохранения ее. У других - пластиножаберных рыб, земноводных и млекопитающих он обычно обезвреживается в виде мочевины. Однако она повышает Росм, для вывода ее с мочой также нужно много воды и для птиц, рептилий, брюхоногих и насекомых выгоднее выводить азот в виде твердой, малорастворимой мочевой кислоты (образует залежи гуано, используемые как удобрения). Эти три типа экскреции называют аммонио-, урео- и урико-телией. В виде мочевой кислоты выводятся и нуклеотиды, пурины млекопитающих и человека (у пауков, свиней может выводиться сам гуанин и аденин), у большинства других фермент уриказа окисляет ее далее в аллантоин, у некоторых рыб - до аллантоевой кислоты. Как может изменяться форма вывода с развитием, в разных условиях? Например, живущие в воде головастики выводят азот с аммиаком, но при переходе на сушу, у лягушек образуются ферменты цикла мочевины.

Как образуется мочевина? Было известно, что одна АК - Арг может превращаться в орнитин и мочевину, но так как ее количество было гораздо меньше выводимой мочевины, то Кребс предположил циклический механизм и обнаружил каталитическое действие, увеличение скорости образования той при добавлении орнтитина, цитрулина и аргинина.

Нарушение каждой стадии этого цикла мочевины обнаруживается в соответствующих болезнях.

Азот выделяется также с креатинином, пропорционально массе мышц (2% образуемого в печени из Арг, Мет, Гли креатина), гиппуровой кислотой (при детоксикации фенолов, бензоата Гли).

Скелет 20 АК может превращаться в ацетил -СоА через глутарат или ацетоацетат (кетогенные) или пируват, в кислоты ЦТК и пропионат (глюкогенные).

Как аминокислоты распадаются и какие могут превращаться в глюкозу (глюкогенные)?

Малые кислоты (С_2-4) распадаются до пирувата (Ала, Сер, Цис, Гли, Тре) или оксалоацетата (Асп, Асн), Глн, Про, Арг и Гис - через Глу до кетоглутарата - кислот ЦТК, Мет, Вал, Иле - как нечетные - через пропионат и сукцинат, все они могут превращаться в глюкозу. Кетогенными называют превращающиеся в ацетоацетат - ароматические Фен, Тир (также дающие фумарат и потому и глюкогенные), Трп, Лиз (через глутарат) и Лей. (Обычно измеряют содержание гликогена в печени животного после голодания. Увеличится ли оно, если дать ему пропионат, бутират, глутарат, лизин, лейцин?)

Связь и регуляция расщепления и синтеза. Глюконеогенез.

В присутствии кислорода анаэробный путь подавляется. Пастер заметил, что потребление глюкозы в присутствии кислорода резко падает - при аэробном пути ее нужно гораздо меньше. Этот эффект Пастера объясняется регуляцией и подавлен в поврежденных и раковых клетках, по Варбургу, “возвращающихся” к более простому гликолизу.

Как регулируется окислительное фосфорилирование? Согласно общему уравнению перенос е- требует АДФ и фосфата, обычно избыточного. Поэтому потребление кислорода митохондриями лимитируется АДФ, в состоянии покоя мало и растет при потреблении энергии - АТФ с образованием АДФ (т.н. акцепторный контроль дыхания, его коэффициент - отношение потребления О2 максимального и в покое - 10 у человека, 100 при взлете мухи. Его нарушение может вызываться генетическим дефектом, когда дыхание всегда сильно.

Известно “динамическое действие пищи” - усиление дыхания через 0.5-1 ч после еды, у белков - на ~15%> углеводов >жиров:Чем это может объясняться? Белки отличаются наличием аминокислот и вывод азота из них в цикле мочевины требует большого расхода АТФ (-15% общей энергии их). При этом образуется много АДФ, увеличивающего дыхание.

При большей мышечной работе кислорода не хватает для окислительного фосфорилирования и пируват восстанавливается в молочную кислоту - возникает т.н. “кислородная задолженность” - поскольку потом кислород окисляет ~1/5 ее до СО2 и Н2О, используя энергию для восстановления остальной в глюкозу, превращаемой в гликоген печени и мышц (Время этого превращения и есть период О-задолженности).

Анаэробный метаболизм важен для крупных и глубоководных животных, в связи с недостатком циркуляции О₂, для быстрых движений. Запас гликогена в мышцах невелик и в них накапливается лактат. Кислородная задолженность соответствует количеству О₂для синтеза АТФ для пополнения израсходованного запаса гликогена в мышцах. Если спортсмену для восстановления после бега достаточно полчаса, то аллигатору после броска - многочасовой отдых. Аналогичное длительное восстановление нужно слонам, китам - и динозавры т.о. могли уступить мелким животным. У глубоководных обитателей метаболизм преимущественно анаэробный, у некоторых морских позвоночных глюкоза сбраживается до этанола и СО₂.

? Почему во время бега на 400 м концентрация лактата в крови подскочила с 30 до 200 мкМ, через 20 и 60 мин составила 100 и 40 мкМ? Скачок гликолиза, пирувата и НАДН увеличивает концентрацию лактата, превращаемого в глюкозу через пируват более медленно. Стационарная концентрация лактата определяется сдвигом лактатдегидрогеназной реакции.

Восстановленные тем или иным путем коферменты могут идти либо на обратное восстановление и синтез органических соединений, либо окисляться кислородом в дыхательной цепи для получения АТФ, энергии. В организме 90% О₂восстанавливается в конце ее - цитохромоксидазой (остаток - ди- и моно-оксигеназами. Монооксигеназы требуют два субстрата для 2 О, обычно это гидроксилазы (АН+ВН₂+ О₂=А-ОН+В+ Н₂О), включая МАО и цитохром Р-450, гидроксилирующий и стероиды и лекарства, повышая растворимость и способствуя выведению).

Окислительное фосфорилирование. На последнем этапе окисления водород и электроны переходят от органических соединений через ряд переносчиков - НАДН, ФАДН₂, Q, цитохомы и цитохромоксидазу к кислороду, а энергия запасается в АТФ.

Переносчики электронов, как и АТФ-синтетазы и почти все дегидрогеназы ЦТК находятся во внутренней мембране митохондрий - матриксе (в 1 митохондрии печени может быть более 10 000 цепей переноса и АТФ-синтетаз, в сердце - втрое больше, они составляют 3/4 массы мембраны). Перенос электронов означает окислительно-восстановительные реакции и ред-окс пары (аналогичные кислотно-основным - донорам-акцепторам протонов) и может осуществляться разными способами - прямой перенос, например, между парами Fe²⁺-Fe³⁺и Cu⁺-Cu²⁺:. Fe²⁺+Cu⁺²=Fe³⁺+Cu⁺, перенос в составе Н или Н- в НАДН (АН₂+В=ВН₂+А) или при прямом взаимодействии с О₂:СН₄+О=СН₃ОН. В дыхательной цепи сначала переносится водород, потом - только электроны (цитохромами, содержащими пары Fe^+2/+3), а Н+ поступают в окружающую среду, востребуются позже). Каждая ред-окс пара характеризуется своим потенциалом, для Н+/Н₂принимаемым 0 (при рН=7 -0.41 В). При переходе пары е- от пары НАДН/НАД+ с Е=-0.32 В к паре Н₂О/1/2О₂с Е=+0.82 В /\G=-nF/\E=-2x23062 (0.82- -0/32)=-52.6 ккал. Для синтеза 3 АТФ достаточно 3х7.3=21.9 ккал. В цепи переноса более 15 ред-окс-групп, многие неясны.

Коферменты бывают общими для разных классов реакций, для множества субстратов и ферментов.

НАД+ выполняет эту (обобщающую - коллекторную) функцию, собирая восстановительные эквиваленты от разных субстратов (глицеральдегид и лактат в цитозоле, пируват, изоцитрат, кетоглутарат и малат, 3-гидроксиацил-СоА и глутамат в митохондриях) в общей форме НАДН. Далее они передаются флавинзависимой НАДН-дегидрогеназе, восстанавливая ФМН до ФМН-Н₂и далее убихинон - кофермент Q, также собирающий Н и от других флавинзависимых дегидрогеназ - сукцинат- и ацил-СоА. Далее - цитохромы вплоть до аа3 - цитохромоксидазы (кроме железа содержащей Си+-Си++), способной передавать 4 е- О₂, захватывающим из среды 4Н+ и восстанавливаемым до 2 Н₂О. При неполном восстановлении О₂, при присоединении 2 е- образуется Н₂О₂, 1 е- супероксид-радикал О₂-. Они могут реагировать с ненасыщенными ЖК, повреждая мембраны и потому очень токсичны. Аэробные клетки разрушают их с помощью ферментов супероксиддисмутазы и каталазы:2О₂- +2Н+=Н₂О₂+О₂, 2Н₂О₂=2Н₂О+О₂. Сейчас с такими - т.н. активными формами кислорода (АФК) связывают множество нормальных и патологических процессов, в т.ч. старение и апоптоз, запрограммированную смерть клетки (Интересно, что жуки-бомбардиры научились накапливать Н₂О₂в железе с гидрохиноном, в момент опасности смешивая их и выстреливая кипящую струю хинона во врага). Существуют ингибиторы разных этапов переноса е-:ротенон - яд индейцев блокировал участок от НАДН до убихинона, антибиотик антимицин А из Streptomyces и снотворное амитал- до цитохрома с, цианид, как и СО и H₂S - цитохромоксидазу. На этих трех этапах энергия переноса е- передается АТФ-синтетазе, как предполагали путем сопряжения химического (типа гликолиза, но “высокоэнергетических” промежуточных продуктов не обнаружили), конформационного или хемиосмотического - с синтезом АТФ за счет осмотической энергии градиента Н+, выкачиваемого при переносе е- из матрикса наружу. Хемиосмотическое сопряжение Окислительное фосфорилирование требует целостности - замкнутости мембраны, непроницаемой для ионов, а вещества, могущие переносить Н+ или друние катионы через мембрану, разрывают связь переноса е- и синтеза АТФ (т.н. разобщители и ионофоры типа динитрофенола и валиномицина. Их пробовали использовать для борьбы с ожирением, но обнаружили токсичность). Митчел предположил, что при работе е-транспортной цепи протоны поступают изнутри, из матрикса, а освобождаются снаружи - из-за расположения принимающих и отдающих их ферментов (наличие присоединения и отдачи Н каждым переносчиком может использоваться для разделения их в пространстве), а фермент образования АТФ+Н2О освобождает протоны изнутри - откуда они удаляются переносчиками, а ОН- снаружи, где ОН- связывается с Н+, сдвигая фосфорилирование по закону действующих масс. В уравнении 3 [H] обозначает связанный с НАД, ФАД водород, разделяемый на электроны и протоны, переносимые переносчиками электронтранспортной цепи мембраны. Благодаря ее ассиметрии протоны переносятся в одну сторону, в митохондриях - из матрикса в межмембранное пространство, создавая электрохимический градиент протонов, включающий 2 компонента - мембранный потенциал и рН -больший заряд и кислотность вне:Dm_н+=Dy-ZDpH (Dycоставляет ~75%). Он может использоваться для выполнения полезной работы - осмотической, механической, для транспорта веществ (в т.ч. АДФ, АТФ через мембрану, против градиента их концентрации. - также как и АТФ) и для синтеза АТФ - посредством Н+-АТФаз, расположенных на той же мембране. При разности потенциалов 0.2 В протоны проходят по каналу Н+АТФазы снаружи во внутрь, синтезируя АТФ из АДФ+Ф. Менее ясно, как перенос е- переносит Н+. Митчелл предположил, что Н- и е- переносящие цепи чередуются, образуя три “петли”. В каждой 2Н переносятся наружу, 2Н+ идут в окружение, а 2е- переносится обратно. Однако чередование пока неясно, а на каждую пару е- в петле переносятся 3-4 Н+, возвращаемые с каждой АТФ. Неясно, и как поток Н+ создает ковалентную связь АТФ. Т.о. клетка имеет две взаимопревращающихся формы энергии - АТФ и Н+. Для каких целей может использоваться перенос е- и Н+? - биосинтеза (АТФ и др) - химической работы- для выработки тепла:у новорожденных и впадающих в спячку около шеи есть жир, бурый из-за цитохромов множества митохондрий. Их мембраны имеют поры для Н+, минующих АТФазу и энергия рассеивается в виде тепла.- для транспорта АТФ и АДФ (адениннуклеотид-транслоказой, ингибируемой атратилозидом из ядовитого для скота чертополоха), ионов фосфата (фосфат-транслоказой) и кальция (т.о. митохондрии поддерживают низкую концентрацию Са++ (10-7 М), важнейшего регулятора. Рост ее усиливает мышечное сокращение, распад гликогена и окисление пирувата. Поскольку митохондрии накапливают и фосфат и Са++, они могут быть началом био-кальцинирования. В митохондриях печени внутренняя мембрана также содержит транспртные системы для переноса моно (пирувата), ди- и три-карбоксилатов, Асп и Глу.- для механической работы:вращения жгутиков бактерий У аэробных бактерий переносчики е- и механизмы сопряжения находятся в плазматической мембране и они выкачивают Н+ наружу (это подтверждает гипотезу о происхождении митохондрий от них). “Протонные насосы” вращают их жгутики. Аналогичен и механизм в хлоропластах. Чем отличается процесс фотосинтеза? В фотосинтезе реакция направлена обратно, на получение восстановителей и О2 за счет энергии света - в аналогичной электронтранспортной цепи. Сходство световых реакций и дыхания подчеркнул Арнон, показавший в 1958 г., что изолированные хлоропласты на свету могут синтезировать АТФ, НАДФН (и О2), а в их присутствии СО2 восстанавливается даже в темноте. Он предсказал, что фотофосфорилирование также должно сопрягаться с переносом электронов в мембранах. ФОТОСИНТЕЗ Суммарная реакция фотосинтеза 6СО2+6Н2О= С6Н12О6 + 6О2 - была установлена уже в 18 веке.

В 1941 г. с помощью радиизотопов выяснили, что кислород выделяется не из СО2, а из воды:СО2+2Н2¹⁸О-hv-> [CH2O]+¹⁸O2+H2O. Тогда же Ван-Нил показал, что фотобактерии используют СО2 вообще без выделения О2, требуя только источник водорода (например, Н2S ->S+2H вместо Н2О->2Н+1/2О2). Т.о. доказали, что фотосинтез включает 2 стадии - фотолиз Н2О с выделением ненужного О2 и 2Н, используемых во второй стадии - восстановления СО2 до углеводов. Световые реакции идут в тилакоидах, а темновые в строме хлоропластов.

В световой фазе квант света возбуждает электрон хлорофилла, могущий возвращаться с флуоресценцией (красным свечением) или отрываться акцептором электрон-транспортной цепи, т.о. восстанавливаемым. Т.о. световая энергия переходит в химическую, а та - в электрическую и осмотическую и обратно путем переноса е- на поверхность (-) и сопряжения с переносом протонов из стромы внутрь тилакоида и обратно - с синтезом АТФ. Концентрация Н+ растет за счет расщепления Н2О и окисления переносчика пластохинона внутри мембраны. При обратном возвращении протонов в строму по градиенту синтезируется АТФ (АТФ-синтетазой). В конце пара электронов и Н+ присоединяются к переносчику НАДФ+:НАДФ+ +2Н+ +2е- =НАДФН+Н+ (переходящий в строму). “Дырки” хлорофилла отрывают е- от Н2О через ряд переносчиков (Мп и др.) с фотолизом воды:2Н2О=4Н+ +4е- +О2. Т.о. световая энергия затрачивается на образование АТФ и пары сильных восстановителя НАДФН и окислителя - О2, могущего использоваться для дыхания или выделяться в биосферу.

На деле обнаружилось поглощение двух частей света разной длины, две световые реакции и две фотосистемы и е- движется по т.н. Z-схеме. Р690 (ФС11) восстанавливается е- воды с образованием О2, а Р700 - е- вниз от акцептора Х до Н+НАДФ, а энергия запасается в АТФ. При циклическом же фосфорилировании е- от У снова возвращаются на Р700, отдавая энергию АТФ.

В 1939 г. Р.Хилл обнаружил, что изолированные хлоропласты могут высвобождать кислород в присутствии окислителя - акцептора е-, отличных от природного НАДФ (Например, голубой краситель дихлорфенолиндофенол