Конвергентный принцип организации процессов катаболизма. Введение в метаболизм (биохимия). Структурная организация цепи тканевого дыхания
Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающие обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой.
Вся совокупность химических реакций в клетке (метаболизм) подчиняется принципу биохимического единства – в биохимическом отношении все живые существа на Земле сходны. У них единообразие строительных блоков, единая «энергетическая валюта» (АТФ), универсальный генетический код и в основе своей идентичны главные метаболические пути.
Реакции, приводящие к расщеплению и окислению веществ с получением энергии, называются катаболизмом; пути, приводящие к синтезу основных сложных веществ, называют анаболизмом. Катаболизм и анаболизм – два самостоятельных пути в обмене веществ, хотя отдельные участки их могут быть общими. Такие общие участки, свойственные катаболизму и анаболизму, называются амфиболитическими.
Катаболитические и анаболитические превращения осуществляются последовательно, так как продукт реакции предыдущей стадии является субстратом для последующей.
Энергетический обмен тесно связан с конструктивным (рис. 2.1).
В ходе биологического окисления образуются разнообразные промежуточные продукты (фосфорные эфиры сахаров, пировиноградная, уксусная, щавелевоуксусная, янтарная, a-кетоглутаровая кислоты), из которых вначале синтезируются монополимеры (аминокислоты, азотистые основания, моносахариды), а затем основные макромолекулы клетки. Синтез компонентов клетки идет с затратой энергии, которая образуется при энергетическом обмене. Эта энергия затрачивается также на осуществление активного транспорта веществ, необходимых для анаболизма.
Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена заключается и в том, что процессы биосинтеза, кроме энергии, требуют поступления извне восстановителя в виде водорода, источником которого также служат реакции энергетического обмена.
Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и биосинтетических структурах. Клетка очень экономно высвобождает энергию, и синтезируют веществ ровно столько, сколько необходимо ей в настоящий момент. Этот принцип лежит в основе регуляции и контроля всех стадий метаболических путей в клетке.
Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д. Изучение путей регуляции определенных продуктов обмена веществ в клетке открывает неограниченные возможности для определения оптимальных условий биосинтеза микроорганизмами целевых продуктов.
ферменты дальнейших превращений
продуктов гидролиза А
Б
Рис.2.1. Схема катаболизма и анаболизма микробной клетки
А – конструктивный обмен; Б – энергетический обмен
Для существования жизни важны как регуляция активности отдельных путей метаболизма, так и координация деятельности этих путей.
Каждое из множества веществ создается в клетке в строго необходимых для роста пропорциях в результате ферментативных реакций. Ферменты, синтезирующиеся в клетке постоянно и образование которых не зависит от состава питательной среды называют конститутивными , например, ферменты гликолиза. Другие энзимы, адаптивные или индуцибельные, возникают только в ответ на появление в питательной среде индукторов – субстратов или их структурных аналогов.
Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами:
· регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования;
· регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов);
· катаболитной репрессией.
В процессе ретроингибирования (ингибирование по принципу обратной связи) активность фермента (аллостерического белка), стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата, тормозится конечным метаболитом, например:
Аспартат →Карбамил аспартат →Дигидро-оротовая кислота →Оротовая кислота →
→ Оротидин монофосфат → УМФ → ЦТФ
Карбамилтрансфераза
Хоризмат →Антранилат → Индолил глицерофосфат →Триптофан
Антранилатсинтетаза
Низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ ключевым ферментам метаболизма. Ключевые ферменты – это регуляторы периодичности образования продукта. С помощью описанного механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез. Ретроингибирование – способ точного и быстрого регулирования образования продукта. На обмен веществ, аналогичный конечным метаболитам, оказывают эффект их аналоги.
Регуляция объема биосинтеза ферментов (индукция и репрессия) осуществляется на оперонном уровне (Ф.Жакоб и Ж.Моно, 1961) путем изменения количества иРНК, образующихся в процессе транскрипции.
Бактериальная клетка имеет множество генов, каждый из которых несет информацию и контролирует синтез одного белка или соответствующего соединения. Гены подразделяются на структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы. В структурных генах закодирована информация о первичном строении контролируемого ими белка, т.е. о последовательности расположения аминокислот, входящих в состав белка. Гены-регуляторы контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов, а гены-операторы выполняют роль посредников между генами регуляторами и структурными генами. (рис. 2.2).
который в свою очередь способен оккупировать зону первоначального связывания РНК-полимеразы (оператор) тем самым, препятствуя связыванию последней с промоторным участком и началу синтеза иРНК. Конечные продукты метаболических путей могут не только ингибировать активность ферментов первых стадий процесса, но и тормозить биосинтез ферментов последних его этапов, активируя белок репрессор.
Обнаруженный феномен назван репрессией , а ферменты, биосинтез которых стопорится под влиянием низкомолекулярных метаболитов, переводящих репрессорный белок в активную форму, называются репрессибельными . К их числу относятся глутаминсинтетаза, триптофансинтетаза, орнитин-карбамилтрансфераза, уреаза и др. Если концентрация конечного продукта уменьшается до определенного очень низкого уровня, то происходит дерепрессия фермента, т. е. скорость их биосинтеза возрастает до необходимых величин.
В процессе индукции низкомолекулярный метаболит-индуктор (например, лактоза), соединяясь с репрессорным белком (продукт гена-регулятора), инактивирует его и тем самым препятствует взаимодействию белка-репрессора с зоной оператора, что обеспечивает возможность присоединения к промотору РНК-полимеразы и начало синтеза иРНК. Бактериальные клетки продуцируют множество низкомолекулярных эффекторов в ответ на изменение окружающей среды (стресс, голодание, действие фагов и пр.). Каждый из эффекторов, взаимодействуя по аллостерическому механизму с определенными регуляторными белками, моделирует промоторную специфичность РНК-полимеразы, запуская тем самым экспрессию определенного набора генов.
Катаболитная репрессия . Сущность катаболитной репрессии заключается в подавлении биосинтеза ферментов, обеспечивающих метаболизм одного источника углерода другим источником углерода. Ранее считали, что причина такой репрессии состоит в подавлении биосинтеза ферментов обмена одного источника углерода, продуктами катаболизма другого.
Если в питательной среде присутствуют несколько различных источников углерода, клетка микроорганизма вырабатывает ферменты для усвоения лишь одного, наиболее предпочтительного субстрата. Так, например, когда клетки выращивают на смеси глюкозы и лактозы, то в первую очередь утилизируется глюкоза. После полного использования глюкозы происходит экспрессия ферментов метаболизма лактозы (экспрессия структурных генов лактозного оперона). Лактозный оперон (lac-оперон) включает структурные гены трех ферментов: X, Y и А (отвечают за взаимозависимый синтез β-галактозидазы, галактозилпермеазы и ацетилтрансферазы), контролирующих метаболизм лактозы в клетке. Об отсутствие глюкозы в среде сигнализирует цАМФ, синтез которой подавляется в присутствии глюкозы. Уровень цАМФ в клетке является функцией активности аденилатциклазы. цАМФ является необходимым компонентом для связывания РНК-полимеразы с зоной промотора и начала транскрипции генов, ответственных за синтез данных ферментов. В присутствии глюкозы концентрация цАМФ недостаточна для образования комплекса.
Итак, задача регуляторных механизмов заключается в эффективном регулировании и координировании путей метаболизма с целью поддержания необходимой концентрации клеточных компонентов. Кроме того, клетки должны адекватно реагировать на изменения условий окружающей среды посредством включением новых катаболических путей направленных на использование, имеющихся на данный момент питательных субстратов. Регуляция важна для поддержания баланса между энергетическими и синтетическими реакциями в клетке.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:
1. В чем сущность энергетического обмена?
2. В чем состоит взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена?
3. Что такое «фосфорилирование»?
4. Какие ферменты принимают участие в энергетическом обмене аэробов, факультативных анаэробов, облигатных анаэробов?
5. Что подразумевается под «амфиболитическими путями»?
6. Ферменты, и их биохимическая роль.
7. Классификация и номенклатура ферментов.
8. Активные центры ферментов. Субстратная специфичность.
9. Факторы, обеспечивающие ферментативный катализ.
10. Охарактеризуйте состояние равновесия ферментативной реакции?
11. Почему ферменты ускоряют реакции? Что такое энергия активации?
12. От чего зависит скорость ферментативной реакции?
13. Что такое специфичность ферментов?
14. Как называются ферменты, которые выделяются во внешнюю среду?
15. Что такое индуцибельные ферменты?
16. Что такое конститутивные ферменты?
17. Что такое коферменты? Назовите их классы.
18. Как называются ферменты, катализирующие синтетические процессы?
19. Что такое ретроингибирование?
20. Суть теории регуляции синтеза ферментов Ф.Жакоба и Ж.Моно.
21. Объясните механизм индукции синтеза ферментов.
22. Объясните механизм репрессии синтеза ферментов.
23. Что такое катаболитная репрессия?
Вариант 1
1. Напишите уравнение термодинамики, отражающее связь между изменениями свободной энергии (G) и общей энергии системы(Е).Ответ :
2. Укажите, какие два вида энергии клетка может использовать для совершения работы. Ответ : Клетка для совершения работы может использовать или энергию химических связей макроэргов, или энергию трансмембранных электрохимических градиентов.
3. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве 1 моля тиоэфирных связей в соединениях типа ацил-КоА в стандартных условиях. Ответ : 8,0 ккал/М.
4. Укажите значение калорического коэффициента для жиров. Ответ : 9,3 ккал/г.
5. Укажите, что называется "основным обменом". Ответ : Уровень энергозатрат дляподдержанияжизнедеятельности организма.
6. Укажите, чему равен уровень "основного обмена" для человека средней массы, выраженный в ккал/сутки. Ответ: Примерно 1800 к кал.
7. Назовите 5 способов разрыва химических связей в соединениях, наиболее широко представленных в биологических системах. Ответ: Гидролиз, фосфоролиз, тиолиз, липазное расщепление, окисление.
8. Назовите три основных класса соединений, поступающих из первой фазы катаболизма во вторую фазу. Ответ: Моносахариды, высшие жирные кислоты, аминокислоты.
9. Укажите, какой способ расщепления химических связей преобладает в третьей фазе катаболизма. Ответ : Окисление.
10.Объясните, что означает термин "конвергентный принцип организации катаболизма" в организме. Ответ :
11. Объясните, какие преимущества дает человеку конвергентный принцип организации катаболизма в его организме. Ответ:
12.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию окисления изоцитрата в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединений. Ответ
13. Укажите, каким образом осуществляется контроль направления потока метаболитов в цикле трикарбоновых кислотКребса.Ответ : Термодинамический контроль - за счет включения в метаболический путь двух реакций, сопровождающихся большом потерей свободной энергии.
14. Укажите 2 возможных пути пополнения пула промежуточных метаболитов цикла Кребса. Ответ: а) Поступление их из второй фазы катаболизма, б) Реакция карбоксилирования пирувата.
15.Укажите, в какой клеточной структуре локализованы цепи дыхательных ферментов. Ответ : Во внутренней мембране митохондрий.
16.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков электронов, входящих в состав IV комплексаглавнойдыхательной цепи. Ответ:
17. Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование". Ответ : Синтез АТФ с использованием энергии, выделяющейся в процессе биологического окисления
18. Укажите, какую роль белок F | вмеханизмеокислительногофосфорилирования в цепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ : Белок F | за счет протонов,движущихся по электрохимическомуградиенту, катализирует образование АТФ нз АДФ и неорганического фосфата.
19. Укажите, каков механизм действия соединений, вызывающих разобщение окисления и фосфорилирования вмитохондриях.Ответ : Эти соединения выступают в качестве переносчиков протонов через внутреннюю мембрану митохондрий в обход системы синтеза АТФ.
20.Укажите 2 возможных причины развития гипоксическнх гипоэнергетических состояний. Ответ : 2 любых варианта из 4 возможных: а) недостаточность кислорода во внешней среде; б) нарушение работы органов дыхания; в) нарушение кровообращения; г) нарушение способности гемоглобина крови переносить кислород .
21.Приведите 2 примера соединений, в обезвреживании которых принимает участие микросомальная системаокисления.Ответ : 2 любых примера ароматических карбоциклов (антрацен, бензантрацен, нафтацен, 3,4-бензпирен, метилхолантрен).
22.Объясните механизм защитного действия антиоксидантов типа витамина E или каротина. Ответ : Эти соединения принимают на себя лишний электрон с супероксидного анион-радикала, образуя менее реакционноспособную структуру из-за перераспределения электронной плотности по имеющейся в их структуре системе сопряженных двойных связей.
Вариант 2
1. Объясните, почему для химических процессов, протекающих в клетках, изменение энтальпии системы (Н) практически равно изменению общей энергии системы (Е).
Ответ: В биологически системах в ходе химических реакций не происходит изменений температуры или давления .
2. Укажите, какие химические реакции с точки зрения термодинамики могут идти самопроизвольно.Ответ : Самопроизвольно могут идти только экзэргонические химические реакции.
3. Приведите 2 примера макроэргических соединений из класса тиоэфиров. Ответ: Два любых конкретных ацил-КоА
Ответ: 10,3 ккал/М.
5. Укажите, какие изменения происходят с питательными веществами в первой фазе катаболизма. Ответ : Расщепление полимеров на мономеры.
6. Укажите, какая часть общей энергии питательных веществ выделяется во второй фазе катаоолизма. Ответ : 1/3 всей энергии .
7. Укажите, какие конечные продукты обмена образуются в третьей фазе катаболизма. Ответ : Вода, углекислый газ.
8. Напишите общую схему монооксигеназных реакций, идущих в клетках. Ответ: SH 2 + O 2 +КоН 2 -> S-OH + Ко окисленный + Н 2 О
Ответ:
10.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию окисления сукцината в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединений. Ответ:
11. Напишите суммарное уравнение цикла трикарбоновых кислот Кребса. Ответ: Ацетил-КоА + ЗНАД + + ФАД+ГДФ~Ф + 2Н: О-> СО 2 - ЗНАДН+Н + + ФАДН 2 + ГТФ
12.Укажите 2 соединения, являющиеся аллостерическими активаторами регуляторных ферментов цикла Кребса.Ответ: АДФ. AM Ф .
13.Дайте определение метаболического пути, известного под названием "главная цепь дыхательных ферментов митохондрий". Ответ: Метаболический путь, обеспечивающий перенос протонов и электроновсНАДН+ H 2 на кислород.
14. Назовите промежуточные переносчики главной дыхательной цепи, способные акцептировать атомы водорода или электроны из внешних источников. Ответ: Ко Q , цитохромС.
15. Укажите, какое количество свободной энергии выделяется в стандартных условиях при окислении 1 моля НАДН+Н" образованием 1 моля Н 2 О. Ответ : -52,6 ккал/М.
16. Объясните, что называется разобщением окисления и фосфорилирования. Ответ: Нарушение взаимосвязи между процессами окисления и фосфорилирования с превращением выделяющейся свободной энергии в теплоту.
17. Объясните значение термина "гипоэнергетическое состояние". Ответ: Недостаток энергии в клетке.
18. Назовите 2 цитохрома, принимающих участие в окислительных процессах, локализованных в мембранах эндоплазматической сети. Ответ: Цитохром b 5,цитохром P 450 .
19.Приведите схему цепи переносчиков электронов с участием цитохрома P 450 , функционирующую в мембранахэндоплазматическойсети. Ответ: fuck you
20.Назовите 2 соединения, в биосинтезе которых участвует микросомальная система окисления. Ответ: Адреналин (норадреналин). стероидные гормоны.
21.Укажите 2 возможных источника образования пероксидного анион-радикала в тканях. Ответ :
Вариант 3
1. Дайте объяснение термину "свободная энергия системы". Ответ: Свободная энергия - часть общей энергии системы, за счет которой можно совершить работу.
2. Укажите, почему эндэргонические реакции не могут идти самопроизвольно Ответ : Для протекания эндэргонических реакций необходим внешний источник энергии.
3. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве I моля пирофосфатных связей АТФ в стандартных условиях. Ответ : 7,3 ккал/моль.
4. Укажите количество свободной энергии, выделяющейся при разрыве макроэргической связи в 1 моле креатинфосфата в стандартных условиях. Ответ: 10,3 ккал/М.
5. Укажите величину суточной потребности человека в белках, выраженную в г/кг массы тела (норму ВОЗ). Ответ : 1 г/кг.
6. Укажите значение калорического коэффициента для белков при их расщеплении в организме человека Ответ : 4.1 ккал/г.
7. Укажите, какая часть общих энергозатрат человека покрывается за счет расщепления белков. Ответ: 15%.
8. Дайте определение понятия "катаболизм". Ответ: Совокупность процессов расщепления питательных веществ в организме.
9. Объясните, почему метаболические пути первой и второй фаз катаболизма называются специфическими путямикатаболизма.Ответ: В этих фазах катаболизма каждое соединение или группа родственных по структуре соединений распадаются с использованием различных метаболических путей.
10. Объясните, что означает термин "конвергентный принцип организации катаболизма" в организме. Ответ: По мере углубления расщепления питательных веществ количество промежуточных продуктов уменьшается.
11. Объясните, какие преимущества дает человеку конвергентный принцип организации катаболизма в егоорганизме.Ответ : а). Легкость перехода с одного типа питательных веществ на другой. б). Уменьшение количества ферментов на заключительном этапе катаболизма.
12.Укажите 5 признаков, по которым различаются процессы окисления, идущие в биологических объектах, и процессы окисления, идущие в абиогенной среде. Ответ: а)"Мягкие" условия, в которых идет процесс, б) Участие ферментов, в) Окисление идет преимущественно путем дегидрирования, г) Процесс многоступенчатый, д) Интенсивность процесса регулируется в соответ ствии с потребностями клетки в энергии.
13.Напишите, используя структурные формулы метаболитов, суммарную реакцию превращения 2-оксоглутарата. в сукцинил-КоА с указанием всех участвующих в реакции соединений Ответ :
14. Назовите 2 реакции, являющиеся пунктами термодинамического контроля направления потока метаболитов в циклеКребса.Ответ : а) Цитратсинтазная реакция б) 2-оксоглутаратдегидрогеназная реакция.
15.Укажите 3 соединения, в структуре которых накапливается энергия, выделяющаяся при окислении ацетильных остатков в цикле Кребса. Ответ : НАДН+Н + , ФАДН 2 , ГТФ.
16.Назовите 2 промежуточных акцептора атомов водорода, поставляющих протоны и электроны в цепь дыхательных ферментов. Ответ: НАДН+Н + , ФАДН 2
17.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков протонов и электронов, входящих в состав 1 комплекса главной дыхательной цепи. Ответ :
18. Приведите формулу, с помощью которой можно рассчитать количество выделяющейся свободной энергии при переносе электронов, если известны значения редокс-потенциалов начальных и конечных пунктов цепи переноса электронов. Ответ : G " = - n х F х Е".
19.Укажите суть второго этапа превращения энергии, выделяющейся в цепи дыхательных ферментов, в энергию макроэргических связей АТФ в рамках хемоосмотической концепции сопряжения, предложенной Митчеллом. Ответ : Энергия трансмембранного протонного электрохимического градиента используется для образования макроэргическойсвязиАТФ.
20. Приведите 3 примера соединении, разобщающих процессы окисления и фосфорилирования в митохондриях. Ответ : Полихлорфенолы, полинитрофенолы, ацетилсалициловая кислота.
21.Укажите, какой способ окисления соединений реализуется преимущественно в ходе процессов микросомальногоокисления.Ответ : Оксигенирование.
22. Назовите 3 функции микросомального окисления. Ответ : а) Участие в катаболизме различных соединений. б) Участие в биосинтезах необходимых организму соединений, в) Детоксикация.
23.Укажите 3 возможных способа инактивации супероксидного анион-радикала. Ответ : а) Отдача лишнего электрона на цитохром С. б) Отдача лишнего электрона на соединение-антиоксидант (типа витамина Е, каротина и др.) в) Инактивация в ходе супероксиддисмутазной реакции.
24.Укажите 2 возможных источника образования пероксидного анион-радикала в тканях. Ответ: а) Образуется в реакциях аэробного дегидрирования б) Образуется в супероксиддисмутазной реакции.
25.Укажите 3 возможных способа инактивации пероксидного анион-радикала в клетках. Ответ : а) В ходе реакции, катализируемой каталазой, б) В ходе реакции, катализируемой глутатионпероксидазой. в) В ходе реакции, катализируемой пероксидазой
26.Укажите, какую роль могут играть процессы микросомального окисления в химическом канцерогенезе. Ответ: В ходе обезвреживания полициклических ароматических углеводородов образуются их эпоксиды, обладающие мутагенной активностью.
Вариант 4
1. Приведите уравнение, описывающее I закон термодинамики в форме,приемлемойдляописания термодинамики живых объектов Ответ: ∆ЕснстемыН+∆Есреды = 0 .
2. Объясните, что называется энергетическим сопряжением химических реакций. Ответ: Использование свободной энергии, выделяющейся в ходе экзэргонической реакции, для осуществления эндэргонической реакции.
3. Укажите тип макроэргической химической связи в соединениях класса полифосфатов нуклеозидов. Ответ: Фосфоангидридная или пирофосфатная связь.
4. Укажите, каков уровень суточных энергозатрат человека, занятого умственным трудом. Ответ : 2500 - 3000 ккал/сутки.
5. Укажите, какая часть общей энергии питательных веществ выделяется в первой фазе катаболизма. Ответ: до 3%.
6. Укажите, какие 5 способов разрыва химических связей питательных веществ используются во второй фазе катаболизма. Ответ : гидролиз, фосфоролиз, тиолиз, лиазное расщепление, окисление.
7. Укажите 3 соединения, в макроэргических связях которых аккумулируется энергия, выделяющаяся в третьей фазе катаболизма. Ответ : АТФ, ГТФ, сукцинил-КоА.
8. Напишите общую схему реакцийаэробногодегидрирования.Ответ: SH 2 + О2 -> S окисленный+ H 2 O 2
9. Напишите, используя структурныеформулыметаболитов,реакцию окисления малата цикла Кребса с указанием всех участвующих в нейсоединений.Ответ:
10.Укажите, за счет действия каких двух главных факторов осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов в цикле Кребса. Ответ: а) Изменение активности регуляторных ферментов б) Концентрация оксалоацетата и ацетил-КоА.
11.Назовите ферменты цикла Кребса, активность которых угнетается по аллостерическому механизму высокими концентрац АТФ. Ответ: Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа .
12.Назовите соединение, являющееся конечным акцептором электронов в цепи дыхательных ферментов. Ответ : Кислород.
13.Изобразите схему, описывающую функционирование промежуточных переносчиков электронов, входящих в состав III комплексаглавнойдыхательной цепи. Ответ:
14. Укажите значение разности редокс-потенциалов между началом и концом главной дыхательной цепи. Ответ: 1, 14в
15.Укажите суть первого этапа превращения энергии, выделяющейся в цепи дыхательных ферментов, в энергию макроэргических связей АТФ в рамках хемиосмотической концепции
сопряжения, предложенной Митчеллом, Ответ: Свободная энергия, выделяющаяся при работе цепи дыхательных ферментов, используется для формирования протонного электрохимического градиента относительно внутренней мембраны митохондрий .
16.Укажите, какую роль играет белок F 0 в механизме окислительногофосфорилированиявцепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ: Белок F 0 обеспечивает поступлениепротонов по электрохимическому градиенту в активный центр фермента АТФ-синтетазы.
17.Приведите 2 примера соединений, ингибирующих работу IV комплекса главнойцепидыхательныхферментов. Ответ: Цианид, угарный газ.
18.Укажите 2 возможных причины развития гипоксическнх гипоэнергетических состояний. Ответ: 2 любых варианта из 4 возможных: а) недостаточность кислорода во внешней среде; б) нарушение работы органов дыхания; в) нарушение кровообращения; г) нарушение способности гемоглобина крови переносить кислород.
Вариант 5
1. Приведите уравнение, описывающее II закон термодинамики в форме,приемлемойдляописания термодинамики жилых объектов.Ответ : Д S системы+ Д S среды > 0.
2. Укажите, при каком условии две сопряженных в энергетическом плане реакции могут идти самопроизвольно. Ответ : Две энергетически сопряженные реакции могут идти самопроизвольно, если суммарное изменение свободной энергии будет отрицательным
3. Приведите 2 примера макроэргических соединений из класса полифосфатов нуклеозидов. Ответ: Любые 2 из следующих: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ иди их бифосфатные аналоги
4. Назовите 2 конечных азотсодержащих продукта катаболизма белков в организме человека. Ответ : Два любых из следующих: аммиак, мочевина, креатинин.
5. Укажите, какие способы разрыва химических связей питательных веществ используются в первой фазе катаболизма. Ответ : Гидролиз, фосфоролиз.
6. Назовите 4 конечных продукта обмена веществ, образующихся во второй фазе катаболизма. Ответ : 4 соединения из далее указанных: вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, креатинин, мочевая кислота.
7. Объясните, почему метаболические пути третьей фазы катаболизма получили название общих путей катаболизма. Ответ: Эти метаболические пути одинаковы для распада любых питательных веществ.
8. Напишите один из вариантов общей схемы диоксигеназных реакций, встречающихся в клетках. Ответ : Один извариантов: a) R-CH=CH-R 2 + О 2 ->R1-C(O)H + R-C(O)H(альдегиды ) б ) SH2+ O2 -> HO-S-O Н -> S=0 + H2 О
9. Напишите, используя структурные формулы метаболитов, реакцию синтеза цитрата в цикле Кребса с указанием всех участвующих в реакции соединении. Ответ :
10.Назовите 4 регуляторных фермента, принимающие участие в катализе парциальных реакций цикла Кребса.Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс, сукцинатдегидрогеназа .
11.Укажите 2 возможных пути пополнения пула промежуточных метаболитов цикла Кребса. Ответ : а) Поступление их из второй фазы катаболизма, б) Реакция карбоксилирования пирувата .
12.Укажите, в каком компартменте клетки локализован метаболон цикла трикарбоновых кислот. Ответ : В матриксе митохондрий.
13.Приведите названия IV ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ : Цитохром С - оксидазный комплекс
14.Напишите суммарную уравнение, описывающее работу главной цепи дыхательных ферментов. Ответ: НАДН+Н"+1/2О 2 -> НАД + + Н 2 О
15. Объясните, почему электроны и протоны с ряда окисляемых субстратов, таких как глутамат, изоцитрат, малат и др., переносятся на НАД + . Ответ : Значения редокс-потенциалов этих соединений меньше, чем у НАДН+Н + , поэтому электроны с этих соединений могут передаваться на НАД + по градиенту редокс-потенциала.
16.Приведите схему реакций окислительного фосфорилирования на уровне субстрата, имеющих место в цикле трикарбоновых кислот. Ответ
17.Приведите пример соединения, ингибирующего работу III комплекса главной цепи дыхательных ферментов. Ответ : Антимицин.
18.Укажите, в каких клеточных структурах локализованы преимущественно процессы микросомального окисления. Ответ : В мембранах эндоплазматической сети.
19.Укажите 3 возможных источника образования супероксидного анион-радикала в клетках. Ответ: а) При окислении Н b в MetHb . 6)Приодноэлектронном окислении KoQH 2 сотдачей электрона на молекулу кислорода в) При одноэлектронном окислении восстановленных флавинов. (Возможны другие варианты).
20.Напишите реакцию обезвреживания пероксида, катализируемую глутатионпероксидазой. Ответ: Н 2 О 2 + 2 Гл- S Н -> Гл- S - S -Гл + 2 Н 2 О
Вариант 6
1. Напишите уравнение, с помощью которого можно рассчитать изменение уровня свободной энергии в ходе той пли иной химической реакции в стандартных условиях.
Ответ : ∆ G =- 2,303xRxTx l gK равновесия
2. Приведите общую схему энергетического сопряжения двух параллельно идущих в живых объектах химических реакций Ответ :
3. Укажите, в чем состоит биологическая роль макроэргических соединений. Ответ : Аккумуляция свободной энергии, выделяющейся в ходе экзэргонических реакций, и обеспечение энергией эндэргонических реакций.
4. Укажите, какая часть обшей энергии питательных веществ выделяется в третьей фазе
катаболизма. Ответ : 2/3 .
5. Назовите 5 соединений, поступающих в цикл трикарбоновых кислот Кребса из второй фазы катаболизма. Ответ : Ацетил-КоА, оксалоацетат, 2-оксоглутарат, фумарат, сукцинил-КоА.
6. Укажите 3 способа окисления соединений, используемых в клетках. Ответ : Дегидрирование, оксигенирование, отнятие электронов.
7. Укажите 4 функции биологического окисления в организме. Ответ : а) Энергетическая функция. б) Пластическая функция, в) Детоксикация, г) Генерация восстановительных потенциалов.
8. Перечислите 3 функции цикла трикарбоновых кислот Кребса. Ответ : Энергетическая, пластическая, интеграционная.
9. Назовите ферменты цикла Кребса, активность которых угнетается по аллостерическому механизму высокими концентрациямиАТФ.Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа.
10. Назовите 3 промежуточных продукта цикла Кребса, используемых в качестве исходных субстратов для биосинтезов. Ответ : Оксалоацетат, 2-оксоглутарат, сукцинил-КоА
11.Приведите названия III ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ :Ко Q Н 2 ,цитохромС-оксидоредуктазныйкомплекс
12.Объясните, почему электроны и протоны при окислении ряда субстратов, таких как сукцинат, 3-фосфоглицерол и др., переносятся не на НАД + , а через флавопротеиды на KoQ.Ответ : Значения редокс-потенциалов этих соединений выше, чем у НАДН + H + , но меньше, чему KoQ, поэтому электроны с этих соединений могут передаваться по градиенту редокс-потенциала только на KoQ.
13.Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов". Ответ : Синтез АТФ за счет энергии, выделяющейся при движении электронов по цепи дыхательных ферментов .
14.Укажите, какую роль играет белок F 0 в механизме окислительногофосфорилированиявцепи дыхательных ферментов по Митчеллу. Ответ : Белок F 0 обеспечивает поступлениепротонов по электрохимическому градиенту в активныйцентр фермента АТФ-синтетазы .
15. Приведите классификацию гипоэнергетических состояний, в основу которой положена причина их возникновения. Ответ : а) Алиментарные. 6).Гипоксические. в) Гистотоксические. г). Комбинированные.
16.Приведите схему цепи переносчиков электронов с участием цитохрома P 450 , функционирующую в мембранахэндоплазматическойсети. Ответ :
17.Приведите уравнение реакции, катализируемой ферментом супероксиддисмутазой.
Ответ : О 2- + 0 2- + 2Н + -> Н 2 О 2 + О 2
Вариант 7
1. Объясните, почему живые объекты не могут использовать тепловую энергию для совершенияработы.Ответ : В биологических системах нет градиента температуры.
2. Укажите, по какому принципу химические связи в тех или иных соединениях относятся к связям макроэргическим.Ответ: Свободная энергия разрыва такой связи должна превышать 5 ккал/моль (равнозначно: > 21 кДж/М).
3. Назовите 4 класса макроэргических соединений. Ответ: Любые 4 варианта из следующих: полифосфаты нуклеозидов, карбонилфосфаты, тиоэфиры. гуанидинфосфаты, аминоациладенилаты, аминоацил-тРНК.
4. Укажите величину суточной потребности человека в липидах, выраженную в г/кг массы тела. Ответ : 1,5 г/кг.
5. Укажите значение калорического коэффициента для углеводов. Ответ : 4,1 ккал/г.
6. Укажите, какая часть общих энергозатрат человека покрывается за счет расщепления липидов. Ответ : 30%.
7. Укажите, какова биологическая роль первой фазы катаболизма. Ответ : Резкое уменьшение количества индивидуальных соединений, поступающих во вторую фазу.
8. Назовите 2 метаболических пути, относящиеся к третьей фазе катаболизма. Ответ : Цикл трикарбоновых кислот Кребса, главная цепь дыхательных ферментов.
9. Напишите общую схему реакций анаэробного дегидрирования. Ответ: SH 2 + X -> S окисленный + ХН 2
10.Дайте определение метаболического пути, известного под названием цикл трикарбоновых кислот Кребса. Ответ : Циклический путь взаимных превращений ди- и трикарбоновых кислот, в ходе которого ацетильный остаток окисляется до двух молекул СО2 .
11.Опишите с помощью структурных формул переход цитрата в изоцитрат с указанием всех участников процесса. Ответ :
12. Укажите ферменты цикла Кребса, активность которых аллостерически угнетается высокими концентрациямиНАДН+Н + .Ответ : Цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.
13.Напишите реакцию синтеза щавелево-уксусной кислоты из пирувата с указанием всех участниковпроцесса.Ответ :CH 2 -CO-COOH + CO 2 + АТФ ->СООН-СН 2 -СО-СООН+ АДФ+Ф.
14.Приведите общую схему главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ :
15.Приведите названия 1 ферментного комплекса из состава главной дыхательной цепи митохондрий. Ответ : НАДН+Н + , KoQ - оксидоредуктазный комплекс .
16.Укажите причину (движущую силу), заставляющую двигаться электроны по системе переносчиков главной дыхательной цепи. Ответ : Разность редокс-потенциалов между соединениями, находящимися в начале и в конце цепи дыхательных переносчиков .
17.Дайте определение термину "окислительное фосфорилирование на уровне субстрата". Ответ : Синтез АТФ с использованием энергии, выделяющейся при окислении того или иного соединения .
18. Приведите 2 примера соединений, ингибирующих работу 1 комплекса главной цепи дыхательных ферментов. Ответ : Ротенон, амитал натрия.
19. Укажите 2 возможных причины развития гистотоксических гипоэнергетических состояний. Ответ : а) Блокирование работы цепи дыхательных ферментов, б) Разобщение окисления и фосфорилирования.
20.Назовите 2 соединения, в катаболизме которых участвует микросомальная система окисления. Ответ : Триптофан, фенилаланин.
Источником свободной Е в организмах гетеротрофов является распад питательных веществ , иначе говоря, катаболические процессы, протекающие в клетках и тканях. Катаболизм включает сотни хим. реакций, десятки метаболических путей. В то же время в организации катаболических процессов прослеживается определенная логика. Весь катаболизм пит. веществ в организме можно разделить на три этапа или, как принято называть, три фазы.
В первой фазе происходит расщепление полимерных молекул на мономеры: белки расщепляются до аминокислот, олиго и полисахариды на моносахариды и их производные, липиды на высшие жирные кислоты, глицерол, аминоспирты и др. В этой фазе нет окислительных процессов, преобладают гидролиз и фосфоролиз. Вся энергия рассеивается в виде теплоты. В этой фазе происходит резкое уменьшение числа соединений, которые поступают затем во вторую фазу катаболизма. Так, с разнообразными пищевыми продуктами в ЖКТ поступают миллионы различных белков и все они расщепляются до 20-25 АК.
Во второй фазе эти пять десятков соединений подвергаются дальнейшему расщеплению, так что на выходе из этой фазы остается всего пять соединений: ацетилКоА, сукцинилКоА, фумарат, оксало ацетат и 2оксоглутарат. Таким образом, продолжающееся во второй фазе расщепление питательных веществ сопровождается еще большей унификацией промежуточных продуктов. Катаболические процессы, идущие во второй фазе, носят смешанный характер, т.к. в ней идут и фосфоролиз, и лиазное расщепление, и тиолиз и окислительные реакции. В этой фазе катаболизма образуются все азотсодержащие конечные продукты катаболизма, а также часть СО2 и Н2О. Организация катаболических процессов заключается в том, что по мере углубления распада питательных веществ количество промежуточных продуктов метаболизма уменьшается. Такой принцип построения катаболических процессов получил название принцип конвергенции. Метаболические пути первой и второй фазы катаболизма обычно индивидуальны для отдельных соединений или групп родственных по структуре веществ одного класса. Поэтому метаболические пути первой и второй фазы катаболизма получили название специфических путей катаболизма. В то же время метаболические процессы третьей фазы катаболизма одинаковы вне зависимости от того, какое соединение расщепляется.
В связи с этим метаболические пути третьей фазы получили название общих путей катаболизма. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе катаболизма, в которой выделяется 2/3 всей свободной энергии, повышает адаптационные возможности живых организмов, т.к. позволяет сравнительно легко переключаться с одного типа питательных веществ на другой. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе позволяет также уменьшить количество различных ферментов, необходимых клеткам и тканям для переработки разных питательных веществ. Все это помогает организмам в борьбе за выживание и является результатом длительной эволюции живых организмов.пути третьей фазы катаболизма: цикл трикарбоновых кислот Кребса и цепь дыхательных ферментов
Вопросы.
Особенности ферментативного катализа. Регуляция активности ферментов. Применение ферментов и их модуляторов в медицине.
1. Ферменты. Номенклатура. Классификация ферментов.
2. Уровни организации ферментов.
3. Механизм действия ферментов. Понятие об активном центре фермента, этапы ферментативного катализа.
4. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость ферментативной реакции от различных факторов. Уравнение Михаэлиса-Ментен, роль Кm и Vmax в характеристике ферментов.
5. Ингибиторы ферментов. Типы ингибирования. Графическое представление зависимости скорости ферментативной реакции от присутствия ингибиторов различных типов.
6. Механизмы регуляции активности ферментов. Примеры.
7. Аллостеричесие ферменты. Регуляция их активности. Примеры.
8. Энзимодинамика. Энзимотерапия. Примеры.
Введение в обмен веществ. Биологическое окисление.
1. Важнейшие признаки живой материи. Особенности живых организмов, как открытых термодинамических систем.
2. Понятие о процессах катаболизма и анаболизма. Функции клеточного метаболизма. Основные принципы организации метаболизма: этапность, конвергенция, унификация. Стадии генерирования по Кребсу.
3. Схема катаболизма основных питательных веществ. Понятие об общих и специфическом путях катаболизма.
4. Представление о биологическом окислении. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме (на примере фосфорилирования глюкозы).
5. Пути утилизации кислорода. Характеристика высокоэнергетических субстратов, цикл АТФ-АДФ, использование АТФ как универсального источника энергии.
6. Субстратное фосфорилирование: сущность, биологическое значение процесса, примеры.
7. Окислительное фосфорилирование: сущность, биологическое значение процесса.
8. Цепь переноса электронов (ЦПЭ), сопряжение дыхание и синтеза АТФ в митохондриях, коэффициент окислительного фосфорилирования. Ингибиторы и разобщители ЦПЭ.
9. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: схема, ферменты, связь с синтезом АТФ. Строение пируватдегидрогеназного комплекса: ферменты, коферменты, регуляция процесса.
10. Регуляция и анаболическая функция ЦТК.
Обмен углеводов.
1. Пищевые УВ. Схема переваривания УВ в ЖКТ. Причины непереносимости молока.
2. Синтез гликогена в печени и скелетных мышцах. Регуляция этих процессов.
3. Распад гликогена в печени и скелетных мышцах. Регуляция этих процессов.
4. Гликолиз: общая характеристика, стадии, реакции процесса, регулируемые ферменты, энергетический эффект. Судьба продуктов гликолиза в аэробных условиях: схема процесса, связь с синтезом АТФ.
5. Анаэробный распад глюкозы (анаэробный гликолиз). Судьба продуктов гликолиза в анаэробных условиях. Биологическое значение анаэробного распада глюкозы.
6. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез). Субстраты, энергетические затраты, регулируемые ферменты. Цикл Кори.
7. Пентозо-фосфатный путь (ПФП) окисления глюкозы. Биологическое значение.
Обмен аминокислот, белков, нуклеотидов.
1. Питательная ценность различных белков. Азотистый баланс. Клиническое проявление недостатка белка в пище.
2. Переваривание белков в ЖКТ. Биологическое значение пищеварения. Схема процесса. Характеристика пищеварительных ферментов.
3. Образование соляной кислоты и ее роль в пищеварении белков. Регуляция секреции соляной кислоты. Диагностическое значение анализа желудочного сока. Патологические изменения кислотности и патологические компоненты желудочного сока.
4. Трансаминирование аминокислот, биологическое значение, субстраты, ферменты, роль витаминов в этом процессе.
5. Окислительное дезаминирование (прямое, непрямое) аминокислот. Схема процесса, стадии, ферменты, биологическое значение процесса.
7. Механизмы токсичности аммиака, симптомы аммиачного отравления. Пути бразования аммиака в организме.
8. Пути обезвреживания аммиака. Механизмы транспорта аммиака в организме: глутаминовый и глюкозо-аланиновый циклы.
9. Синтез мочевины: схема реакций, суммарное уравнение. Взаимосвязь с ЦТК. Клиническое значение определения концентрации мочевины в крови и моче, причины повышения и понижения концентрации мочевины.
10. Синтез креатина, креатинфосфата, креатинина. Функции этих соединений в организме.
11. Катаболизм пуриновых нуклеотидов. Содержание мочевой кислоты в сыворотке крови в норме и причины ее повышения. Подагра.
12. Обмен метионина и его роль в обмене веществ.
1.5. Люмен липидов и липопротеидов.
1. Схема переваривания пищевых липидов в ЖКТ: этапы, субстраты, ферменты, роль продуктов гидролиза, роль желчных кислоты. Стеаторея.
2. Этапы катаболизма жирных кислот: реакции ферменты. Энергетический эффект полного окисления С16.0. Регуляция процесса β-окисления ВЖК.
3. Этапы биосинтеза жирных кислот: реакции, ферменты. Регуляция процесса биосинтеза ВЖК.
4. Мобилизация ТАГ в жировой ткани. Регуляция процесса и судьба продуктов липолиза.
5. Схема синтеза глицеролфосфолипидов. Представление о роли лецитина в функционировании сурфактанта легкого.
6. Биосинтез ТАГ: последовательность реакций, субстраты, ферменты. Особенности синтеза в печени, жировой ткани, энтероцитах. Регуляция процесса.
7. Структура и функции холестерина в организме человека. Фонд, пути использования в организме и выведения холестерина. Метаболическая и гормональная регуляция биосинтеза.
8. Функции желчных кислот и их регуляция. Энтерогепатическая циркуляция желчных кислот, биологическое значение.
9. Биологическое значение и структуры кетоновых тел. Синтез кетоновых тел печени, регуляция процесса. Представление о кетонемии, кетонурии и кетоацидозе.
10. Классификация ЛП. Структура и состав плазменных липопротеидных частиц. Апобелки и их функции. Ферменты, участвующие в метаболизме ЛП. Катализируемые реакции и их роль в метаболизме ЛП.
11. Хиломикроны (ХМ) : функции, формирование и метаболизм.
12. ЛПНП и ЛПОНП: формирование, функции и метаболизм.
13. ЛПВП: формирование, функции и метаболизм.
14. Химическая модификация липидов и белков ЛПНП и рецепторов ЛПНП. Молекулярные механизмы развития атеросклероза. Коэффициент атерогенности.
Похожая информация.
Q=∆Н + W
где: Q – теплоэнергия
ΔН – энтальпия
W – работа
Так, клетки, получая из внешней среды энергию в виде квантов света (фотосинтез) или химическую энергию органических и неорганических веществ, и запасая её в соединениях с высоким энергетическим потенциалом (АТФ), преобразуют её в электрическую или химическую, заключенную в молекуле. АТФ – главный переносчик химической энергии всех живых организмов. АТФ может передавать свою энергию другим биомолекулам, теряя концевую фосфатную группу, переходя в АДФ, то есть, совершая работу сократительных, двигательных аппаратов переноса вешеств через мембрану. В окружающую среду отдается бесполезная тепловая работа – растет энтропия окружающей среды (∆S).
Второй закон термодинамики
Система стремится к своей неупорядоченности. Это документируется ростом энтропии ΔS и выражается уравнением:
ΔH = ΔG + TΔS
где: ΔH – тепловая энергия,
ΔG – свободная энергия Гиббса,
Т – абсолютная температура.
Величина энтропии постоянна и имеет положительное минимальное значение. Это происходит благодаря тому, что повышение уровня энтропии в системе в процессе деградации питательных веществ компенсируется удалением конечных продуктов из системы и усилением биосинтетических процессов, и эта величина снижается до необходимых стационарных параметров.
Если прекращается обмен веществ, снижается энергия Гиббса системы, повышается энтропия (то есть качество энергии снижается), снижается энтальпия, которая характеризует меру теплового содержания системы. Она всегда стремится к минимуму и при его достижении организм погибает. Поэтому задача организма или биосистемы – высокий уровень энтальпии и свободной энергии. Система стремится поддерживать величину энтропии на более низком стационарном уровне.
Известно, что чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Так энтропия алмаза (0,57 э.е.) вдвое меньше энтропии графита (1,7 э.е.). Карбиды, бориды и другие очень твердые вещества характеризуются небольшой энтропией. Энтропия аморфного тела несколько больше энтропии кристаллического. Возрастание степени дисперсности системы также приводит к некоторому увеличению её энтропии.
Энтропия возрастает по мере усложнения молекулы вещества; так для газов N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 5 энтропия составляет соответственно 52,6; 73,4 и 85,0 э.е. Энтропия разветвленных углеводородов меньше энтропии неразветвленных. Энтропия циклоалкана меньше энтропии соответствующего ему алкена.
Рассмотрим более подробно факторы, необходимые для поддержания стационарного состояния. Для того, чтобы осуществлялся обмен веществ, то есть
субстрат S → Х ↔ Y → Р (конечные продукты деградации)
осуществление V 1, V 2, V 3 – const.
метаболизма
концентрация субстрата (S) должна обеспечивать насыщение фермента, катализирующего данное превращение. Эта реакция должна быть однонаправленной, создающей результирующий поток в сторону деградации субстрата. Такие реакции контролируют работу системы и являются её лимитирующими звеньями – они кинетически необратимы. Примером такой реакцией в организме может быть глюкокиназная реакция, идущая в сторону образования гл-6-фосфата из глюкозы в присутствии АТФ и Mg 2+ . Это лимитирующее звено гликолиза, которое определяет скорость процесса в целом.
Условия поддержания стационарного потока.
1.Заключительные стадии метаболизма должны быть кинетически необратимы (СО 2 Н 2 О);
2. Поскольку конечные продукты выводятся из организма, то энтропия в биосистеме поддерживается почти постоянной;
3. Постоянный приток питательных веществ и энергии – это только одно из условий поддержания стационарного состояния;
4. Наличие структурной организации, позволяющей поглощать и использовать питательные вещества и энергию.
Введение в обмен веществ. Принципы организации метаболизма.
Обмен веществ – можно определить как совокупность всех биоорганических реакций, катализируемых ферментами.
Межуточный обмен начинается с момента поступления питательных веществ в кровь и до момента выведения конечных продуктов обмена и обеспечивающих организм веществами и энергией, необходимыми для его жизнедеятельности.
Метаболизм представляет собой высоко интегрированный и целенаправленный процесс. Интеграция возможна благодаря существованию взаимосвязи между метаболизмами углеводов, белков и жиров и др. Взаимосвязь обеспечивается общим энергетическим снабжением, общими промежуточными метаболитами, на уровне которых происходит пересечение специфических метаболических процессов (гл-6-ф, ПВК, ацетил-КоА), общими метаболическими процессами (ЦТК, окислительное фосфорилирование). Интеграция возможна и благодаря взаимосвязи между тканями и органами. Интегрирующие системы включают нервную систему (центр обработки информации и принятия решения, при изменении условий); эндокринную систему (выработка гормонов, передающих информацию в клетку); сосудистую систему (служит для транспорта не только питательных веществ, но и гормонов).
Последовательность хода обмена веществ в организме позволяет выделить 4 этапа обмена веществ, то есть обмен веществ характеризуется динамичностью и стадийностью.
1 этап – на этом этапе подготавливается поступление питательных веществ во внутренние ткани организма в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Различают:
а) дистантное переваривание – например, расщепление белков под действием пепсина в полости желудка или трипсина в просвете кишечника.
б) пристеночное или мембранное – например, действие пептидаз, фиксированных на поверхности клеток слизистой кишечника;
в) внутриклеточное – например, в лизосомах переваривание под действием протеолитических ферментов.
Кроме ферментов макроорганизма в пищеварении участвуют и ферменты кишечной микрофлоры.
2 этап – резорбция – процессы всасывания питательных веществ через слизистую оболочку кишечника.
3 этап – межуточный обмен – ферментативные процессы синтеза и расщепления, регулируемые нейрогуморальным путем.
4 этап – выделение – экскреция продуктов обмена.
Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.
Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).
Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).
Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО 2 , NН 3 , мочевина, креатинин).
Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.
Катаболизм.
Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.
1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.
Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.
2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.
Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию , которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.
Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию.Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.
На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.
На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.
На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.
Анаболизм.
Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.
2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.
3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.
Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.
В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.
Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.
Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.
Принципы интеграции метаболизма
Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.
Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.
При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.
