Биоэнергетика. Основные понятия и определения.

Особенности живых организмов как объектов для термодинамических исследований.

Химическая термодинамика является теоретической основой биоэнергетики. Биоэнергетика занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Все эти превращения осуществляются в полном соответствии с первым и вторым началами термодинамики. Тем не менее, живой организм, как объект для термодинамических исследований, отличается целым рядом специфических особенностей в сравнении с системами, которые служат объектами изучения в технической и химической термодинамики. Из этих особенностей наибольшего внимания заслуживают следующие.

Живой организм представляет собой типично открытую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией. В то же время для биологических систем применимо понятие стационарного состояния. В этом состоянии параметры в системе остаются постоянными, а скорость притока веществ и энергии равна скорости удаления  их из системы. Такие системы не изменяют своих свойств во времени и сходны с системами, находящимися в равновесии.

Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение. Ведь все живые организмы высоко организованы и постоянно поддерживают свой уровень организации, поэтому для биологических систем справедливо неравенство DSокр.  +  DSсист. >  0 , а не  DSсист  > 0.

Все биохимические процессы, происходящие в клетках в условиях постоянства температуры и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций, резких изменений объема.

Небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии, биологические функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Стандартное состояние для биологических объектов отличается от стандартного состояния технических и химических систем. Вспомним, что стандартным состоянием химической системы является состояние, при  котором концентрации всех веществ равны 1 моль/л ( или для газов, входящих в систему, парциальные давления равны 1 атм). Для биологических систем это определение остается в силе за исключением концентрации ионов Н+, которая для стандартного состояния принимается равной 10-7 моль/л. Это соответствует нейтральной среде (рН 7), характерной для биологических объектов.

          DG0 - стандартная энергия Гиббса для химических систем;

          DG0¢ - стандартная энергия Гиббса для биологических систем.

Сопряжение экзергонических процессов с эндергоническими.

Человек получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества являются термодинамически нестабильными. Катаболические превращения этих веществ (распад или окисление) протекают  с уменьшением свободной энергии. Такие процессы являются самопроизвольными (экзергоническими -DG<0) и могут служить источником энергии для функционирования живой клетки. Все процессы, которые идут с увеличением свободной энергии (эндергонические -DG>0), несамопроизвольные и должны быть сопряжены с экзергоническими процессами.

Жизненно важные процессы - реакции синтеза (т.е. анаболические процессы), мышечное сокращение, активный транспорт - являются эндергоническими процессами. Эндергонический процесс не может протекать изолированно. Такие процессы получают энергию путем химического сопряжения с реакциями окисления молекул пищевых веществ (катаболическими процессами), которые являются экзергоническими реакциями. Совокупность метаболических и анаболических процессов есть метаболизм.

Схематически такое сопряжение можно проиллюстрировать следующим образом. Пусть превращение метаболита (промежуточного соединения в цепи реакций) А в метаболит В сопровождается выделением  свободной энергии. Оно сопряжено с другой реакцией - превращением метаболита С в метаболит D, которое может происходить лишь при поступлении свободной энергии.

Каким же образом осуществляется это сопряжение?

Одним из возможных механизмов состоит в образовании промежуточного соединения - общего для обеих реакций.

A + C  Þ  I   Þ  B + D

Здесь заложен механизм регуляции скорости окислительных процессов, т.к. скорость потребления  D определяет скорость окисления А. Этим путем осуществляется дыхательный контроль - процесс, позволяющий организму избежать неконтролируемого самоокисления.

Другим примером сопряжения являются дегидрогеназные реакции (реакции отщепления атомов водорода), промежуточным соединением, в которых является промежуточный переносчик атомов водорода.

Еще один пример сопряжения состоит в синтезе в ходе экзергонических реакций высокоэнергетического соединения, общего для многих процессов, и последующего включения этого соединения в эндергонические реакции, что обеспечивает передачу энергии. Таким общим для многих реакций соединением - энергетической валютой клетки - является аденозинтрифосфат (АТР).

Это позволяет сопрягать большее число экзергонических реакций  с большим числом эндергонических. В молекуле АТР две макроэргические связи, т.е. связи, при гидролизе которых высвобождается энергия.

Макроэргические соединения.

Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то такую связь называют высокоэнергетической. Энергия гидролиза некоторых субстратов приведена в таблице.

Макроэргические соединения можно разделить на две группы:

1)Соединения, образующиеся в ходе процессов катаболизма и служащие для превращения энергии в качестве передаточного звена (1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват - промежуточные метаболиты катаболизма углеводов).

2) Соединения, которые могут быть использованы тканями в качестве "аварийного" источника энергии (креатинфосфат локализован в основном в мышцах и служит дополнительным источником энергии при стремительных кратковременных нагрузках).

Соединение

-DG', кДж/моль

Фосфоенолпируват

67,9

1,3-Дифосфоглицерат (продукт: 3-фосфоглицерат)

49,3

Креатинфосфат

43,1

АТФ  ®  АДФ  +  Ф

30,5

АДФ  ®  АМФ  +  Ф

27,6

Пирофосфат

27,6

Глюкоза-1-фосфат

20,9

АМФ

14,2

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием. У человека метаболическим превращениям подвергаются, главным образом, глюкоза, жиры и аминокислоты. Глюкоза и аминокислоты - структурные компоненты белков и углеводов. Таким образом, необходимыми компонентами пищи являются белки углеводы и жиры.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

Первая фаза - подготовительная. Она необходима для превращения полимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии, запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза - частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов: пирувата, ацетил-КоА и некоторых метаболитов цикла Кребса. На этом этапе освобождается около 20% энергии. Эта стадия  называется промежуточный обмен. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме.

Третья фаза  - окончательный распад всех веществ до CO2 и H2O. Этот этап включает реакции общего пути катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса) и  цепь переноса электронов. Примерно 80% всей энергии химических связей освобождается в данной фазе. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Клеточное дыхание

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H3PO4 + энергия ® АТФ + H2O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, а  водород (Н+ и е-) переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды, называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование. В этом случае макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и физиологических процессах.

Характеристика общего пути катаболизма.

К общему пути катаболизма относятся окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты и цикл лимонной кислоты (ЦЛК). Некоторые специфические пути вливаются в общий путь на стадии пирувата, другие - на стадии ацетил-КоА. Ряд веществ вступает в общий путь катаболизма на промежуточных стадиях ЦЛК. Именно в общем, пути катаболизма образуется основная масса первичных доноров водорода для дыхательной цепи, хотя они образуются и в специфических путях катаболизма.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Общая характеристика пируватдегидрогеназного комплекса

При окислении глюкозы, глицерина и аминокислоты аланина образуется пировиноградная кислота (пируват). Пируват далее может быть окислен до СО2 в общем пути катаболизма. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме, а окисление пирувата - в митохондриях, поэтому пируват транспортируется в митохондрии специальным переносчиком через мембрану. Первый шаг катаболизма пирувата - окислительное декарбоксилирование.

В этом процессе участвуют ферменты, работающие в определенной последовательности и объединенные в мультиферментный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГК).

В состав этого комплекса входит 3 фермента и 5 коферментов.

Ферменты:

Пируватдегидрогеназа1)

Дигидролипоилацетилтрансфераза2)

Дигидролипоилдегидрогеназа3).

Коферменты:

Тиаминдифосфат (ТДФ) - производное витамина В1

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) - производное витамина никотинамида РР

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) - производное витамина В2

Кофермент А (КоА-SH)

Липоевая кислота ковалентно связана с боковой цепью лизина фермента Е2 (липоамид)

Реакции окислительного декарбоксилирования пирувата

 

Две последние реакции необходимы для регенерации активных форм коферментов, участвующих в окислительном декарбоксилировании пирувата. Образовавшийся в пятой реакции НАДН поступает в дыхательную цепь под действием НАДН-дегидрогеназы. При окислении в дыхательной цепи 1 моль НАДН образуется 3 моль АТФ.

Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата:

Регуляция ферментов пируватдегидрогеназного комплекса.

Ингибирование продуктами реакции:

Ацетил-КоА и НАДН подавляют активность ПДГ-комплекса.

Регуляция нуклеотидами по принципу обратной связи.

Пируватдегидрогеназа ингибируется ГТФ и активируется АМФ.

Регуляция путем ковалентной модификации.

Пируватдегидрогеназа дезактивируется при фосфорилировании по остатку серина киназой пируватдегидрогеназы, при этом образуется неактивная фосфорилированная форма фермента (ПДГ-b) . При дефосфорилировании, катализируемом фосфотазой, активность фермента восстанавливается (ПДГ-a). Ацетил-КоА и НАДН являются положительными эффекторами киназы пируватдегидрогеназы. НАДН и ацетил-КоА накапливаются при увеличении клеточного заряда, поэтому увеличение уровня АТФ также приводит к увеличению активности киназы. При увеличении концентрации пирувата, АДФ, КоА-SH, НАД+ активность киназы снижается, а, следовательно, возрастает количество активной формы ПДГ-а.

Значение окислительного декарбоксилирования пирувата

Реакции пируватдегидрогеназного комплекса связывают метаболические пути гликолиза, глюконеогенеза, синтеза жирных кислот с циклом лимонной кислоты. ПДГ-комплекс имеет огромное значение в поддержании гомеостаза. Энергетический метаболизм аэробных тканей (например, мозга) очень зависит от превращения пирувата в ацетил-КоА, поэтому такие ткани более чувствительны к нарушениям ПДГ-комплекса. Большинство нарушений, связанных с недостаточностью пируватдегидрогеназной активности, обусловлены мутациями пируватдегидрогеназы. Главными последствиями таких нарушений являются  энцефалопатии и церебральные молочные ацидозы.

Цикл лимонной кислоты

Общая характеристика и значение цикла лимонной кислоты

Цикл лимонной кислоты представляет собой замкнутый процесс, состоящий из серии отдельных реакций. Оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) является одним из исходных субстратов и одновременно конечным продуктом этого цикла. Вторым субстратом служит ацетил-КоА. В серии реакций, протекающих в митохондриях, включающих дегидрирование, гидратацию, дегидратацию и окислительное декарбоксилирование осуществляется метаболизм ацетильных групп и высвобождение восстановительных эквивалентов (НАДН×Н+ и ФАДН2), которые затем окисляются в цепи переноса электронов и дают энергию на синтез АТФ. В этом заключается энергетическая роль цикла лимонной кислоты.

Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоА. В результате реакций ЦЛК атомы углерода ацетильных групп окисляются до СО2. Таким образом, главная функция ЦЛК состоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков. В этом заключается катаболическая роль ЦЛК.

ЦЛК играет также важную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования аминокислот, липогенеза. Эти метаболические пути берут начало от метаболитов ЦЛК. Например, исходным соединением в синтезе порфиринов является сукцинил-КоА (промежуточный продукт ЦЛК). Оксалоацетат и a-кетоглутарат - предшественники многих аминокислот. Таким образом, ЦЛК играет и анаболическую роль.

О жизненно важной роли ЦЛК говорит тот факт, что у человека неизвестны генетически обусловленные изменения ферментов ЦЛК; вероятно наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.

Реакции цикла лимонной кислоты.

Реакции ЦЛК протекают в матриксе митохондрий.

Е1 - цитратсинтаза, является регуляторным. Цитратсинтазная реакция лимитирует скорость всего процесса.

Превращение цитрата в изоцитрат катализирует аконитатгидратаза2), содержащая ионы Fe2+. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата, а затем гидратация с образованием изоцитрата.

Реакция ингибируется фторацетатом, в результате накапливается цитрат.

Далее изоцитратдегидрогеназа3) катализирует дегидрирование с образованием оксалосукцината, а затем следует декарбоксилирование под действием того же фермента.

a-Кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием пирувата.

Эта реакция катализируется a-кетоглутаратным комплексом4) требует такого же набора кофакторов: тиаминдифосфата, липамида, НАД+, ФАД, КоА-SH. Ферменты комплекса: a-кетоглутаратдегидрогеназа, дигидролипоилсукцинилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа. Первый фермент данного комплекса не имеет такой сложной регуляции как пируватдегидрогеназа. В результате образуется сукцинил-КоА, содержащий макроэргическую связь. Реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению a-кетоглутарата.

Под действием фермента сукцинаттиокиназы (сукцинил-КоА-синтетатазы) энергия макроэргической связи сукцинил-КоА расходуется на образование макроэргической связи в молекуле ГТФ (субстратное фосфорилирование).

 

Далее сукцинат под действием сукцинатдегидрогеназы6) превращается в фумарат.

Это единственная реакция ЦЛК, в ходе которой осуществляется прямой перенос атомов водорода с субстрата на флавопротеин ЦПЭ без участия НАД+. Коферментов данного фермента является ФАД.

Затем к фумарату присоединяется молекула H2O под действием фумаратгидратазы 7) с образованием малата.

Малатдегидрогеназа 8) катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД+. Хотя реакция обратима, реально она протекает в направлении образования оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется  в других реакциях.

Регуляция общего пути катаболизма

Скорость дыхания и фосфорилирования в митохондриях зависит от концентрации АДФ и, в конечном счете, определяется скоростью расходования АТФ (дыхательный контроль - состояние 4). В свою очередь скорость реакций общего пути катаболизма, поставляющего водород в митохондрии, зависит от скорости дыхания митохондрий и окислительного фосфорилирования. Один из механизмов этой зависимости связан с необходимостью регенерации НАД+, которая происходит в результате передачи водорода с НАДН×Н+ в дыхательную цепь митохондрий. Кроме того, существует регуляция по принципу отрицательной обратной связи, с участием аллостерических ферментов. НАДН×Н+ ингибирует некоторые ферменты общего пути катаболизма.

При снижении дыхания митохондрий расходуется меньше НАДН, его концентрация увеличивается и приводит к замедлению реакций общего пути катаболизма в результате ингибирования указанных реакций.

Ряд реакций общего пути катаболизма зависит от концентрации адениловых нуклеотидов - АТФ, АДФ и АМФ.

Суммарная концентрация адениловых нуклеотидов в клетке постоянна, но относительные концентрации могут изменяться вследствие их взаимопревращений. Во многих клетках концентрации АТФ, АДФ и АМФ относятся как 100:10:1. Отсюда следует, что небольшие изменения концентрации АТФ могут приводить к значительным изменениям концентрации других нуклеотидов. Например, если 1/10 часть всей АТФ превратится в АДФ, то концентрация АДФ увеличится в 2 раза. Это имеет существенное значение, поскольку изменения активности аллостерических ферментов зависят от величины изменения концентрации модификаторов.

Для оценки влияния система адениловых нуклеотидов на метаболические процессы пользуются величиной энергетического заряда клетки:

Если весь фонд адениловых нуклеотидов представлен только АТФ, то энергетический заряд равен 1. Если в клетке имеется только АМФ, то энергетический заряд равен 0. В большинстве клеток энергетический заряд равен 0,8 - 0,9. При уменьшении клеточного заряда (уменьшении [АТФ], увеличении [АДФ], [АМФ]) скорость реакций общего пути катаболизма увеличивается. В скелетных мышцах энергетический заряд равен 0,94 как в покое, так и при интенсивной мышечной работе.

Кроме нуклеотидных коферментов на активность регуляторных ферментов общего пути катаболизма влияют некоторые метаболиты, действующие как аллостерические модификаторы. Чаще всего встречается регуляция по принципу обратной связи продуктами реакции. В таблице приведены некоторые ингибиторы и активаторы этих ферментов.

Таблица. Регуляторные ферменты общего пути катаболизма.

Регуляторные ферменты

Ингибиторы

Активаторы

1.

Пируватдегидрогеназный комплекс

АТФ, НАДН, ацетил-КоА

 

2.

Цитратсинтаза

АТФ, НАДН, сукцинил-КоА, ацил-КоА, цитрат

 

3.

Изоцитратдегидрогеназа

АТФ, НАДН

АДФ, АМФ

4.

a-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс

НАДН, сукцинил-КоА

 

 

Hosted by uCoz