Обмен веществ и энергиив живых организмах

Обмен веществ. В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии . Энергию определяют как способность со вершать работу . Специальный раздел физики , который изучает свойства и превращения энергии в различных системах , называется термодинамикой . Под термодинамической системой понимают совокупность объектов , условно выделенных из окружающего пространства. Обмен веществ и энергии - это совокупность физических , химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах , а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой . Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ , в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду . Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены об щим названием - метаболизм (обмен веществ ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций , называемые путями метаболизма , и могут включать тысячи разнообразных реакций . Эти реакции протекают не хаотически , а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов . Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных , но разнонаправленных процесса : анаболизм (ассимиляция ) и катаболизм (диссимиляция ). Анаболизм - эт о совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей ). Он обеспечивает рост , развитие , обновление биологических структур , а также накопление энергии (синтез макроэргов ). Анаболизм заключается в хи м ической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы . Например , включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией , содержащейся в генетическом материале данной клетки . К атаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии . К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день ), двуокись углерода (около 230 мл /мин ), окись углерода (0,007 мл /мин ), мочевина (около 30 г /день ), а также другие вещества , содержащие азот (примерно б г /день ). Катаболизм обеспечивае т извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций . Например , образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих ам и нокислот в клетке с образованием СО 2, и Н 2О , что сопровождается высвобождением энергии . Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия . Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту , накоплению массы тканей , а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур . Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболиз м , у взрослых обычно наблюдается равновесие , в старческом возрасте преобладает катаболизм ), состояния здоровья , выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки. Цикл Кребса. Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским би охимиком Кребсом . Он первым постулировал значение данного цикла , который источником которого является гликолитическое превращение углеводов . В дальнейшем было показоно , что цикл Кребса является тем центром , где сходятся практически все метаболические пути. Таким образом , цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп , в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул , играющих роль «клеточного топлива» - углеводов , жирных кислот и аминокислот . Образовавшийс я в результате гликолиза в цикле Эмбдена-Меергофа ацетил-КоА (продукт окислительного декарбоксилирования пирувата ) окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (лимоннокислый цикл ). Этот процесс осуществляется последовательными ферментативными реа к циями , в результате которых высвобождается энергия (схема 6). Полный распад одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ , причем 24 из них образуются в цикле Кребса . Ферменты этого цикла локализуются в матриксе митохондрий (в стенке внутренней мембраны ). По с тупивший в цикл Кребса ацетил-КоА является конечным продуктом катаболизма не только углеводов , но также липидов и таких аминокислот , как фенилаланин , тирозин , лейцин и изолейцин. Схема 6. Цикл Кребса (лимоннокислый цикл ). Кроме того , существует прямой путь окисления глюкозы – гексозомонофосфатн ый (пентозный ) цикл , который преобладает в эритроцитах половых железах , коре надпочечников , печени . Хотя окисление в гексозомонофосфатном цикле составляет всего 2% от обмена углеводов (при сахарном диабете может увеличиваться до 6%), для организма значени е этого цикла очень велико . Особенность этого процесса – образование пентоз , накопление NADPH (2)-кофермента дегидрогеназ , участвующих в синтезе нуклеиновых кислот , холестерина , жирных кислот , активировании фолиевой кислоты и образовании АТФ . Гексозомонофо с фатный цикл обеспечивает также процессы гидроксилирования , необходимые для синтеза биогенных аминов (катехоламины , серотонин ) и стероидных гормонов коры надпочечников . Последовательная цепь реакций пентозного цикла (схема 7) приводит к образованию рибулоз о -5-фосфата , который идет на построение нуклеотидов или серией обратных реакций преобразуется в гексозофосфаты с использованием их в гликолитическом цикле. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислор ода и выделением СО 2 . Этот процесс называют тканевым дыханием . Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых ) веществ (субстратов ), в результате чего синтезируется вода . Процесс окисления можно представить следующ им уравнением : SH 2 + 1/2 O 2 а S + H 2 O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты ), представляют собой метаболиты катаболизма , их дегидрирование является экзоэргическим процессом . Энергия , освобождающаяся в ходе реакций окисления , либо полно стью рассеивается в виде тепла , либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР . Организм превращает около 40% энергии , выделяющейся при окислении , в энергию макроэргических связей АТР . Большинство организмов в биосфере использует этот с п особ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород , а другое соединение ) как основной источник энергии , необходимый для синтеза внутриклеточной АТР . Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ , поступивших извне , в утилизируемую метаболическую энергию . Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР - это энергетически сопряженные реакции . Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфор илированием ADP : Окислит ельное фосфорилирование ADP Цепь транспорта электронов - ЦТЭ Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму , так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование , причем кислор од выступает в роли непосредственного акцептора водорода . На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом . Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов SH 2 к терминальному акцептору - О 2 . Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций , в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками . Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из о кисленного состояния переходит в восстановленную форму . Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние . На последней стадии переносчик передает электроны кислороду , который затем восстанавливается до воды . Сов окупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта ) электронов , или дыхательной цепью : Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков . SH 2 - исходный донор протонов и электронов ; P - промежуточные переносчик и ; E1, E2, E3, E4 - ферменты окислительно-восстановительных реакций Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты : NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид ), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид ), к офермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С 1 , С , А , А 3 ) и белки , содержащие негеминовое железо . Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы , связанные убихиноном (CoQ ) и цитохромом С . Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD. Это определяется тем , является ли дегидрогеназа , катализирующая первую стадию , NAD - зависимой или FAD - зависимой . Если процесс нач и нается с NAD + , то следующим переносчиком будет FMN. Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата . Но каким бы ни был исходный субстрат , электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся . Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода , который затем , присоединяя протоны , превращается в воду . Чтобы разобраться в системе транспорта электронов , необходимо познакомиться с отдельными ее участниками . NAD - зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа ). NAD + является коферментом и выполняет роль акцептора водорода : Коферменты дегидрогеназ Символ 2Н + означает два электрона и два протона , обычно переносимые в виде гидрид иона . В этом случае вместо терминов «донор электронов» и «акцептор электронов» иногда используют термины «донор или акцептор водорода» . FAD - зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидроген азы . Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата . NADH - дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент - FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сна чала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом , а затем передается на убихинон . Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы , поэтому ферменты , в состав которых они входят , называются флавопротеины . Флавинмоно нуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат , неразрывно связан с белковой частью фермента . Строго говоря , FMN не является нуклеотидом , так как флавиновая часть связана с рибитолом , а не с рибозой . Убихинон (кофермент Q) - производное изопрена : Название «убихинон» возникло из-за его по всеместной распространенности в природе . Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы . Цитохромы - это гемопротеины - белки , содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем : Простетическая группа гема в структуре цитохромов Атом железа в геме мож ет менять валентность , присоединяя или отдавая электроны : В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом : B, С 1 , С , а , а 3 . Гемовые группы цитохромов связаны с белково й частью донорно-акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками : Связывание гема с белковой частью цитохрома С В цитохромах С и С 1 дополнительные ковалентные связи формируются между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема . QН 2 -дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С 1 . Этот фермент катализирует окисление восстанов ленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С . Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С 1 , а затем поступают на цитохром С . Протоны после окисления QH 2 освобождаются в раствор . Цитохромоксидаза включает комплекс цитох ромов а и а 3 (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди , которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов : Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород . В переносе электронов участвуют сначала ионы железа ц итохромов а и а 3 , а затем ион меди цитохрома а 3 . Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а 3 . Следовательно , переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а 3 , происходит на молекуле фермента . Каждый из атомов молекулы кислорода прис оединяет по два электрона и протона , образуя при этом молекулу воды . Белки , содержащие негеминовое железо . Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов , а образует комплексы с другими белками . Эти белки называют также жел езосерными , так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков . Белки , содержащие негеминовое железо , участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях , однако , не совсем ясны их локализация и механизм действия . Окислительное фосфорилиро вание Энергия , образующаяся при прохождении потока электронов по дыхательной цепи , используется для сопряженного фосфорилирования ADP. Эти два процесса взаимозависимы : окисление не может протекать в отсутствии ADP. Соотношение окисления и фосфорилирования определяется коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль кислорода ) коэффициент Р /О называется коэффициентом окислительного фосфорилирования и зависит от точки вхождения восстановительных эквивалентов в цепь транспорта электронов . Например Р /О =3, для субстратов , окисляемых NAD - зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи есть три участка , где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР . Не все субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD - зав и симыми дегидрогеназами , которые переносят протоны и электроны сразу на убихинон , минуя первый комплекс . В этом случае Р /О =2. В действительности коэффициент фосфорилирования всегда меньше теоретической величины , потому что часть энергии , высвобождающейся п р и транспорте электронов , расходуется не на синтез АТР , а для переноса веществ через митохондриальную мембрану . В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода . Основное его количество (примерно 25 моль ) используется в митохондриях в дыхательной цеп и . Следовательно , ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р /О =2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования ). Масса всей АТР , содержащейся в организме , составляет примерно 20-30 г . Следовательно, можно сделать вывод , что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза , что и характеризует интенсивность обмена АТР . Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТР Существование такого сопряжения доказывается тем , что можно ингибировать образование АТР , не нарушая процесса транспорта электронов . Это достигается добавлением химических веществ , названных разобщителями . После удаления разобщителей синтез АТР восстанавливается . Изучение механизма сопряжении дает отве т на основные вопросы : 1. каким образом транспорт электронов служит источником энергии ? 2. как эта энергия передается в реакцию ADP + Pi a АТР ? Существует несколько гипотез , объясняющих механизм сопряжения . Одной из них является хемоосмотическая теория . Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н + )помпа , осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство . Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислител ьно-восстановительных реакций дыхательной цепи . Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н + с двух сторон митохондриальной мембраны : более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри . Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние , так как возникает градиент концентрации Н + и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности . Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу , он заставляет протоны дви гаться в обратном направлении , но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков , называемых протонными каналами . Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом , высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирова ние ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н + -АТР-синтетаза , располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны . С опряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента С труктура компонентов комплекса I, обеспечивающего функцио нирование «протонной помпы» при окислении NADH Разобщение дыхания и фосфорилирования Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров . Молекулы этих вещест в , как правило , липофильны и способны переносить ионы через мембрану . Например , 2,4-динитрофенол ( протонофор ) легко диффундирует через мембрану , в ионизированной и неионизированной форме , перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов . Таким образом , 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал , и синтез АТР становится невозможным , хотя окисление субстратов при этом происходит . Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты . Этим объясн я ется пирогенное действие разобщителей . Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы - тироксин , а также некоторые антибиотики , такие как валиномицин и грамицидин . Дыхательный контроль Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концент рацией ADP. Это объясняется тем , что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены . Энергия , необходимая клетке для совершения работы , поставляется за счет гидролиза АТР . Концентрация ADP при этом увеличивается ; в результате создаются условия для ускорени я дыхания , что и ведет к восполнению запасов АТР . Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Ингибиторы , блокирующие дыхательную цепь , действуют в определенных местах , препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты , ротенон ). Существуют также вещества , ингибирующие окислительное фосфорилирование .