Взаимосвязь и регуляция обменных процессов

Лекция № 6

МОДУЛЬ 3 Основы метаболической и функциональной биохимии

(2 часа)

Понятие метаболизм

Катаболизм и анаболизм

Автотрофы и гетеротрофы

Аэробы и анаэробы

Биоэнергетика клетки

Метаболизм (клеточный обмен веществ и энергии) – это совокупность всех химических реакций, протекающих в организме, закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение. Обмен веществ и энергии неразрывно связаны и представляют собой диалектическое единство. Вся совокупность химических реакций, протекающих в живых организмах, включая усвоение веществ, поступающих извне (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) вплоть до образования конечных продуктов, подлежащих выделению, составляет сущность и содержание обмена веществ. Изучение обмена веществ – одна из основных задач биохимии.

Метаболизм включает более 100000 разнообразных реакций, каждая из которых может быть воспроизведена в отдельности в лабораторных условиях. Однако специфику обмена веществ определяют не сами по себе эти реакции, а особое сочетание, строгая согласованность и темп протекания реакций. Важнейшая характерная черта биологической формы движения – саморегуляция, которая возникает как результат совокупности химических реакций, из которых каждая в отдельности не обладает в полной мере способностью саморегулироваться, но вместе взятые, они образуют систему, обнаруживающую свойства механизма с обратной связью. При этом существуют основные метаболические пути, которые построены по единому плану. Метаболические пути – последовательность реакций, приводящая к образованию определенного продукта. Метаболические пути могут быть линейными и разветвленными. Ферменты, которые катализируют реакции в метаболических путях, часто объединены в мультиферментные комплексы. Метаболиты – соединения, образующиеся в ходе превращений веществ в метаболических путях. Метаболизм обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Снабжение химической энергией, добываемой путем расщепления богатых энергией молекул пищевых веществ, которые поступают в организм из среды, или путем преобразования энергии солнечного света.

2. Превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые затем используются клеткой для синтеза макромолекул.

3. Синтез белков, липидов, полисахаридов и д.р. клеточных компонентов.

4. Синтез и разрушение биомолекул, необходимых для выполнения специфических функций клетки.

Первичным источником энергии для всей живой природы является солнечное излучение. Все многообразие организмов, обитающих на Земле, по использованию источников энергии можно разделить на две основные группы: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофы – это фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, фотосинтезирующие бактерии) способны непосредственно использовать лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, а в качестве единственного источника углерода атмосферный углекислый газ (СО₂), из которого они строят все свои углеродсодержащие биомолекулы, т.е. создают органические соединения (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др.) из неорганических веществ. Остальные живые организмы – гетеротрофы (питающиеся за счет других) не могут усваивать углекислый газ (СО₂); должны получать углерод в виде достаточно сложных молекул органических соединений; питаются продуктами жизнедеятельности других клеток. Ассимилируют уже готовые органические вещества, используя их как источник энергии или пластического материала для построения своего тела. Следует отметить, что большинство микроорганизмов тоже являются гетеротрофами. Однако они не способны поглощать целые пищевые частицы и выделяют в окружающую среду их специальные переваривающие ферменты, которые расщепляют пищевые вещества, превращая их в малые, растворимые молекулы, которые могут проникнуть в клетки.

Как уже отмечалось, углеводы, жиры или белки и продукты их расщепления не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов. В результате таких процессов, как тканевое дыхание, брожение и гликолиз, которые занимают центральное место в обмене веществ, происходит постепенное освобождение и аккумуляция энергии, заключенной в молекулах сложных органических соединений.

В биосфере автотрофы и гетеротрофы осуществляют гигантский цикл, в котором автотрофы используя энергию солнечного света строят из атмосферного углекислого газа (СО₂) органические биомолекулы, выделяя в атмосферу кислород (О₂). Гетеротрофы используют вырабатываемые автотрофами органические продукты и кислород и возвращают в атмосферу углекислый газ (СО₂) и воду (Н₂О). Существует 2 подкласса гетеротрофов: аэробы и анаэробы.

Аэробы живут в среде кислорода (О₂); анаэробы – в бескислородной среде. Некоторые организмы могут жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Это факультативные анаэробы. Для облигатных анаэробов кислород является ядом. Такие организмы живут глубоко в почве или на морском дне. У одного и того же организма разные ткани могут принадлежать к разным классам. У зеленых растений клетки зеленых листьев – автотрофы, а клетки камбия или корня – гетеротрофы.

Метаболизм – процесс из 2-х фаз: катаболизм (энергетический обмен) и анаболизм (пластический обмен).

Катаболизм (диссимиляция) – расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры, белки распадаются в ходе последовательных реакций до углекислого газа (СО₂), воды (Н₂О), аммиака (NН₃). На определенных этапах соответствующих катаболических путей значительная часть свободной энергии запасается благодаря сопряженным ферментативным реакциям в форме высокоэнергетического соединения АТФ (аденозинтрифосфата). Часть запасается также в богатых энергией водородных атомов НАДН или НАДФН.

Анаболизм (ассимиляция) – биосинтез – фаза метаболизма, в которой из малых молекул – предшественников (аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, азотистых оснований) синтезируются белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты и др. макромолекулы. Анаболизм требует затраты свободной энергии. Источник этой энергии – АТФ и НАДФН.

Катаболизм и анаболизм протекают одновременно, но пространственно процессы катаболизма и анаболизма в клетке разделены, а их скорости регулируются независимо:

		Химическая энергия АТФ, НАДФН (никотинамид адениндинуклеотид фосфат)

		Молекулы-предшественники: аминокислоты, моносахариды жирные кислоты, азотистые основания
	Конечные продукты распада: СО2, Н2О, NН3

В аэробном катаболизме различают 3 главные стадии:

		Макромолекулы – пищевые вещества

I ст.

		Молекулы – пищевые блоки

II ст. Пируват

			Общий продукт расщепления

Цикл

III ст. лимонной

кислоты

				Конечные продукты катаболизма
	NН3

1-й этап. Образование мономеров из полимеров. У человека протекает в пищеварительном тракте в лизосомах. Это реакции гидролиза сложных молекул в простые метаболиты: белки → аминокислоты, углеводы → глюкоза, жиры → глицерин + жирные кислоты. Небольшое количество освобождающейся энергии рассеивается в виде тепла.

2-й этап. Превращение мономеров в ПВК и Ацетил-КоА. Протекает в специфических путях катаболизма в цитоплазме. Простые метаболиты подвергаются реакциям расщепления, в результате образуется ПВК (пировиноградная кислота) либо ацетил- Ко А (ацетилкофермента А – это активированная форма уксусной кислоты). Ацетил- Ко А может также образоваться из ПВК в результате окислительного декарбоксилирования. Энергии на этом этапе освобождается немного; часть ее рассеивается в виде тепла и небольшая часть расходуется на синтез АТФ (2 молекулы АТФ из 1 молекулы глюкозы).

3-й этап. Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО₂ и Н₂О. Протекает в цикле Кребса и дыхательной цепи. Реакции этого этапа можно разделить на три группы:

1) Молекулы ПВК в цикле Кребса окисляются до СО₂ и Н₂О.

2) От молекулы ПВК отщепляются атомы водорода, которые передаются НАД⁺ с образованием НАД•Н. Восстановленная молекула НАД•Н доставляет атомы водорода в дыхательную цепь и вновь превращается в НАД⁺.

3) Атомы Н в дыхательной цепи отдают электроны, окисляются до Н⁺ и связываются О₂ с образованием молекула воды. Электроны перемещаются по дыхательной цепи, вступают в окислительно-восстанови-тельные реакции и отдают энергию, которая расходуется на синтез молекул АТФ (из АДФ и фосфорной кислоты).

В результате при окислении двух молекул ПВК образуется 36 молекул АТФ. Всего в результате энергетического обмена при расщеплении 1 молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ (запасается 55 % освобождающейся энергии, остальные 45 % рассеиваются в виде тепла). Начиная со стадии образования пирувата, происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется 2 - пируват и ацетил- Ко А. Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и включает: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата, 2) цикл Кребса. Общий путь катаболизма совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием является основным источником энергии в форме АТФ. Таким образом, катаболические пути сходятся – образуется лишь небольшое количество конечных продуктов.

Анаболизм – анаболические пути расходятся, образуется очень много разнообразных продуктов. Анаболизм начинается с малых молекул-предшественников и протекает также в 3 стадии.

Например, синтез белков начинается с образования α-кетокислот и других предшественников. На II стадии происходит аминирование α-кетокислот в реакциях с донорами аминогрупп, образуются аминокислоты. На III стадии анаболизма строятся полипептидные цепи и образуются различные белки.

Энергия передается от катаболических к анаболическим путям при помощи АТФ.

СО₂ АТФ

Н₂О 1 биосинтез

Катаболизм

2 активный транспорт

3 передача генетической информации

4 сокращение и движение

О₂ АДФ

Клеточное топливо Рн

В клетке значительная часть свободной энергии выделяющейся при катаболизме сохраняется благодаря сопряженному синтезу АТФ из АДФ и Рн (фосфор неорганический). АТФ, АДФ и Рн присутствуют во всех живых системах и составляют универсальную систему, служащую для переноса энергии. Во всех случаях биосинтеза молекулы предшественники активируются путем ферментного присоединения фосфатной группы от АТФ. В таком активированном состоянии используется для биосинтеза.

НАДФН переносит энергию в форме восстановительной способности. В этом случае передача совершается через водородные атомы или электроны. Для синтеза органических веществ необходим высокоэнергетический атом водорода (т.е. должен иметь значительный запас свободной энергии). Такие богатые энергией атомы водорода образуются из клеточного топлива под действием ферментов – дегидрогеназ. Дегидрогеназы отщепляют водородные атомы от молекул клеточного топлива и переносят их на особые коферменты, в частности, на окисленную форму НАДФ+. Восстановленная форма этого кофермента НАДФН – переносит эти богатые энергией атомы Н (или электроны) от катаболической реакции к биосинтетической.

Катаболизм

Восстановленное → → Окисленный

клеточ. топливо продукт

НАДФ+ НАДФН

	Биосинтез

Восстановленные ← ← Окисленные

продукты биосинтеза предшественники