Раздел 2. Сведения об энергетическом обмене

Глава 3. Энергетический обмен

Раздел 1. Значение изучаемой темы

Энергетический обмен является одним из важнейших факторов, определяющих функциональную активность человеческого организма. Интенсивность биосинтетических процессов, роста и развития клеток, репарационных и транспортных процессов, проявление мышечных и не мышечных форм подвижности, а также функциональной деятельности нервной ткани во многом зависит от эффективности энергетического обмена. Нарушение процессов синтеза АТФ явля­ется причиной многих патологических состояний. Поэтому данный материал важен в плане подготовки врача, как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Раздел 2. Сведения об энергетическом обмене

Общие сведения

Окисление -это отщепление от вещества электронов; восстановление - это присоединение электронов.

Метаболизм - это обмен веществ. Он имеет две стороны: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - это расщепле­ние сложных органических веществ до более простых. Анаболизм - это синтез сложных веществ из простых веществ с ис­пользованием энергии.

Для поддержаниягомеостаза (постоянства внутренней среды) в орга­низме постоянно вырабатывается энергия. Источником энергии является расщепление пищевых веществ (белков, жиров и углеводов), а также анало­гичных молекул самого организма до СО₂, Н₂О и NН₃ (для азотсодержащих веществ).

Под биологическим окислением понимают все окислительно-восста-новительные реакции, происходящие в орга­низме. Наиболее важным видом окисления с энергетической точки зрения является дегидрирование суб­стратов с последующим взаимодействием отщепленного водорода с кислородом, полученным из атмосферы при дыхании, с образованием воды. В отличие от неживой при­роды, где энергия при горении веществ выделяется в виде света и тепла, в организме чело­века и животных энергия окислительно-восстановительных реакций используется на синтез АТФ, то есть переводится в химическую форму, а также выделяется в виде тепла.

Этапы катаболизма

1-й этап. На этом этапе макромолекулы расщепляются до своих мономеров (или строительных блоков). Так, поли­сахариды распадаются до моноса-харидов (гексоз и пентоз); жиры - до глицерина и жирных кислот; белки - до ами­нокислот. Этот этап является специфическим, так как каждая макромолекула (полимер) своим набором ферментов расщепляется до моно­меров. 1-й этап катализируется ферментами класса гидролаз. Он локализо­ван в пищеваритель­ном тракте для пищевых (экзогенных) макромолекул, а для эндогенных (находя-щихся в клетках организма) - в основ­ном в лизосо­мах. Этот этап энергетической ценности не имеет. В нем выделяется менее 1% энергии, которая рассеивается в виде тепла.

2-й этап. Является специфическим путем катаболизма. На этом этапе каждый из мономеров своим собственным путем превращается в одну из карбоновых кислот. Моносахариды, глицерин и некоторые аминокис­лоты превра­щаются в пируват. Жирные кислоты и часть аминокислот - в ацетил-КоА (активную уксусную кислоту). Некоторые аминокислоты превращаются в оксалоацетат или 2-оксоглутарат. 2-й этап происходит в митохондриях и цито­золе клеток. Образую­щаяся при этом энергия выделяется в виде тепла и используется на синтез АТФ.

3-этап. Являетсяобщим для разных классов веществ. На этом этапе пируват в процессе окислительного декарбок­силирования превра­щается в ацетил-КоА.Ацетил-КоА, оксалоацетат и 2-оксоглутарат окисляются в цикле Кребса. За один оборот цикла Кребса образуются 2 молекулы СО₂,. Водород, полученный в дегидрогеназных реакциях, присоединяется к НАД⁺ и ФАД. с образованием НАДН и ФАДН₂, которые окисляются в дыхательной цепи. Приэтом образуется вода, а выделившаяся энергия используется частично на синтез АТФ и частично рассеивается в виде тепла. Все реак­ции этого этапа локализованы в митохондриях.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) катализируется пируватдегидрогена­зой (ПДГ). ПДГ - это ком­плекс из трех ферментов, для работы которого требуются следующие вита­мины: В₁ (тиамин), В₂ (рибофлавин), РР (никотинамид), пантотеновая и липоевая кислоты. ПДГ осуществляет декарбоксили­рование (отщепление карбоксильной группы) и окисление (отщепление водорода) молекулы пирувата.

Продукты реакции и их дальнейшие превращения:

СО_2. В основном выделяется с выдыхаемым воздухом,

а также используется для карбок­силирования субстратов.

Ацетил-КоА. Расщепляется в цикле Кребса до СО₂ и Н₂;

НАДН. Окисляется в дыхательной цепи.

Регуляция ПДГ: ПДГ может быть в двух формах: фосфорилированной (неактивной) и дефосфорилированной (активной). АТФ, НАДН, ацетил-КоА, жирные кислоты ингибируют ПДГ, инсулин активирует.

Цикл Кребса

(цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной ки­слоты)

1. Ход реакций смотрите в учебнике Березова Т.Т., Коровкина Б.Ф. «Биологическая химия»,1990, стр.261-264.

2. Итоговое уравнение цикла Кребса:

Ацетил-КоА + 3НАД⁺ + ФАД + 2Н₂О + АДФ + Н₃РО₄ 2СО₂ + 3НАДН + ФАДН₂ + АТФ

Таким образом, ацетил-КоА распадается в цикле Кребса до СО₂ и Н₂ , который присоединяется к кофакторам де­гидрогеназ. В ходе цикла Кребса образуется сукцинил-КоА, который содержит макроэргическую связь (первичный макроэрг). Гидролиз этой связи со­пряжен с реакцией фосфорилирования АДФ, при этом образу­ется АТФ. Синтез АТФ с использованием энергии макроэргической связи субстрата на­зывается субстратным фосфорилированием.

Конечные продукты цикла Кребса и пути их использования:

- СО₂ выдыхается с воздухом, небольшая часть используется в реак­циях карбоксилирования.

- НАДН и ФАДН₂ окисляются в дыхательной цепи.

- АТФ используется на различные виды работы:

1) механическая работа (сокращение мышц, движение сперматозоидов, лейкоцитов);

2) осмотическая работа или активный транспорт, то есть движение против градиента концентрации;

3) химическая работа, когда энергия АТФ используется в биосинте­тических процессах и на активацию субстра­тов;

4) электрическая работа (генерация биотоков);

5) при передаче гормонального сигнала (для работы аденилатциклазы и протеинкиназы).