Общие пути катаболизма Лекция для студентов специальности « Фармация » ( заочное ) Доцент кафедры биохимии к. б. н. Лобаева Т. А.

Метаболизм и его функции Метаболизм включает два неразрывных процесса : анаболизм и катаболизм. Он выполняет три специализированные функции : Энергетическая – снабжение клетки химической энергией, Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков, Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул - предшественников. Поскольку анаболизм сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

жизнь Энергия Вещество Поддержание сложности Рост и размножение Метаболизм – все химические реакции в организме Энергетический обмен Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые Обмен веществ = Анаболизм – реакции синтеза макромолекул из простых Пластический обмен АТФ

АТФ – универсальный источник энергии в клетке Аденин Рибоза Три фосфата Макроэргические связи

АТФ – не единственная молекула, способная запасать и переносить энергию Существуют и другие молекулы- переносчики энергии В отличие от АТФ они не универсальны и используются только на промежуточных этапах энергетического пути

Молекулы - переносчики энергии По химической природе – это динуклеотиды. Их предшественники – витамины. НАД ٠ ННАДФ ٠ НФАД ٠ Н 2 Этих молекул в клетке мало, но без них не будут работать ферменты основных энергетических путей.

НАД + НАД ٠ Н Никотинамид Аденин Окисленная форма Восстановленная форма + энергия Витамин В 5 РР, никотиновая к-та

НАДФ - НАДФН - цикл НАДФ - НАДФН - цикл Для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6- фосфата в пентозном пути и оксалоацетата малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ- НАДФН-цикл.

Катаболизм Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Использование атомов водорода Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, могут использоваться клеткой только по двум направлениям : на анаболические реакции в составе НАДФН. на образование АТФ в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН 2.

Этапы катаболизма. Первый этап. Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа : I этап Происходит в кишечнике ( переваривание пищи ) или в лизосомах при расщеплении молекул. При этом освобождается около 1 % энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

Второй этап II этап Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу ( в составе ацетил -S- КоА ) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13 % энергии вещества усваивается, т. е. запасается в виде макроэргических связей АТФ.

Третий этап III этап Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил -S КоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН 2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием " окислительное фосфорилирование " образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ. Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46 % энергии исходного вещества усваивается, т. е. запасается в связях АТФ и ГТФ.

Общие и специфичные пути катаболизма

Роль АТФ Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ. Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в каких - либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа использования АТФ биосинтез веществ, транспорт веществ через мембраны, изменение формы клетки и ее движение. Эти процессы совместно с процессом образования АТФ получили название АТФ - цикл :

Кругооборот АТФ в жизни клетки

Способы получения энергии в клетке В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание : 1. Гликолиз (2 этап биологического окисления ) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил -S КоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту. 2. β - Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления ) – окисление жирных кислот до ацетил -S КоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2. Молекулы АТФ " в чистом виде " не появляются.

Способы получения энергии в клетке 3. Цикл трикарбоновых кислот ( ЦТК, 3 этап биологического окисления ) – окисление ацетильной группы ( в составе ацетил -S КоА ) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ ( что эквивалентно одной АТФ ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления ) – окисляются НАДН и ФАДН 2, полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ.

Два способа синтеза АТФ Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого - либо вещества ( субстрата ) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3- дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват ), цикла трикарбоновых кислот ( сукцинил -S КоА ) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал / моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

ПВК Пировиноградная кислота ( ПВК, пируват ) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях пируват симпортом с ионами Н +, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. Здесь происходит его превращение до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Глюкоза 2 ПВК Гликолиз к л е т к а 9 реакций (пируват) гликолиз 2 АТФ 2 НАД·Н © М.А. Волошина biologii.net

Окисление пировиноградной кислоты Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов : Пируватдегидрогеназа ( Е 1, ПВК - дегидрогеназа ), ее коферментом является тиаминдифосфат ( ТДФ ), катализирует 1- ю реакцию. Дигидролипоат - ацетилтрансфераза ( Е 2 ), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2- ю и 3- ю реакции. Дигидролипоат - дегидрогеназа ( Е 3 ), кофермент – ФАД, катализирует 4- ю и 5- ю реакции. Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Регулируемым ферментом ПВК - дегидрогеназного комплекса является первый фермент – пируватдегидрогеназа ( Е 1 ). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования. Сама киназа активируется при избытке конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ферментного комплекса – НАДН и ацетил -S- КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается. Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Регуляция активности пируватдегидрогеназы

Ганс Адольф Кребс В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии. Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса. Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953 г.

Цикл трикарбоновых кислот Образующийся в ПВК - дегидрогеназной реакции ацетил - S КоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот ( ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса ). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких - либо иных веществ. Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций : связывание ацетил - КоА и оксалоацетата ( щавелевоуксусной кислоты ) с образованием лимонной кислоты, изомеризация лимонной кислоты и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО 2. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

лимонная кислота ЩУК Цикл Кребса НАД НАД Н ФАД Н 2 ФАД ГДФ ГТФ АДФ АТФ изо- лимонная кислота кето- глута- ровая кислота янтарная кислота фумаро- вая кислота яблоч- ная кислота КоА сукци- нил- КоА ацетил-КоА 8 реакций

Основная роль ЦТК Основная роль ЦТК заключается в 1) генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН 2. 2) Кроме этого, в ЦТК образуется одна молекула АТФ, сукцинил -S КоА, участвующий в синтезе гема, кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α - кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой.

Регуляция цикла трикарбоновых кислот Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил -S КоА и запускает процесс.

Изменение скорости реакций ЦТК и причины накопления кетоновых тел при некоторых состояниях

Регуляторные ферменты ЦТК Некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами : Ферменты ЦТКИнгибиторыАктиваторы ЦитратсинтазаАТФ, цитрат, НАДН, ацил -S- КоА Изоцитрат - дегидрогеназа АТФ, НАДНАМФ, АДФ α - Кетоглутарат - дегидрогеназа Сукцинил -S- КоА, НАДН цАМФ

Окислительное фосфорилирование Молекулы НАДН и ФАДН 2, образуемые в реакциях окисления углеводов, жирных кислот, спиртов и аминокислот, далее поступают в митохондрии, где идет процесс окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов ( НАДН и ФАДН 2 ) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.

Механизм окислительного фосфорилирования По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью ( англ. electron transport chain ).

Принцип работы дыхательной цепи В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем : 1) Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода ( т. е. протоны водорода и электроны ) на ферменты дыхательной цепи. 2) Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию. 3) Эта энергия используется на выкачивание протонов Н + из матрикса в межмембранное пространство. 4) В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. 5) Протоны Н + стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ - синтазу. 6) При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ. Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т. е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

АТФ-синтаза

Общие принцип окислительного фосфорилирования

Дыхательная цепь включает множество белков - переносчиков Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.

Блок - схема дыхательной цепи

Первый комплекс. Первый комплекс. 1 комплекс - НАДН - Ко Q- оксидоредуктаза Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН - дегидрогеназа, содержит ФМН, 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков с общей молекулярной массой до 900 кДа. Функция Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q ( убихинон ). Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Второй комплекс 2 комплекс - ФАД - зависимые дегидрогеназы Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. Он включает в себя ФАД - зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил -S КоА - дегидрогеназа ( окисление жирных кислот ), сукцинатдегидрогеназа ( цикл трикарбоновых кислот ), митохондриальная глицерол -3- фосфат - дегидрогеназа ( челночный механизм переноса НАДН в митохондрию ). Функция Восстановление ФАД в окислительно - восстановительных реакциях. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.

Третий комплекс 3 комплекс - Ко Q- цитохром с - оксидоредуктаза Данный комплекс включает цитохромы b и c 1. Кроме цитохромов в нем имеются 2 железо - серных белка. Всего насчитывается 11 полипептидных цепей общей молекулярной массой около 250 к D а. Функция Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с. Переносит 2 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Четвёртый комплекс 4 комплекс. - Цитохром с - кислород - оксидоредуктаза В этом комплексе находятся цитохромы а и а 3, он называется также цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептидных цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. Функция Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды. Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Пятый комплекс 5 комплекс – это фермент АТФ - синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы : одна группа формирует субъединицу F о ( олигомицин - чувствительная ) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ. Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно 3- х протонов Н +.

Строение дыхательной цепи и механизм окислительного фосфорилирования

Механизм окислительного фосфорилирования На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования : 1) Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности : каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий ( он более электроположителен, т. е. обладает более положительным окислительно - восстановительным потенциалом ). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов. 2) Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2.

3) На внутренней мембране митохондрий атомы водорода ( от НАДН и ФАДН 2 ) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся ( шт / сек ) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода. 4) Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Механизм окислительного фосфорилирования ( продолжение )

Использование энергии электронов Упрощенно сказанное представить в виде равенства :

Участки сопряжения 5) Перенос ионов водорода через мембрану ( выкачивание ) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участками сопряжения ( или пунктами фосфорилирования ). Название " участки сопряжения " возникло из - за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ. Участки сопряжения представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией. Градиент ( Δμ, " дельта мю ") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую ( ΔΨ, " дельта пси ") и концентрационную ( ΔрН ): Δμ = ΔΨ + ΔрН

Наработка АТФ 6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ : ионы H + теряют свою энергию, проходя через АТФ - синтазу ( Н + - транспортирующая АТФ - аза ). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла :

На клеточное дыхание можно влиять В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией на воздействие.

Гипоэнергетические состояния Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее : гиповитаминозы экзогенные и / или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В 1, В 2, никотиновой кислоты, В 6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты, дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности, снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии, дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает " переполнение " дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН 2 в клетке и прекращение катаболизма, дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Разобщители окисления и фосфорилирования К разобщителям в первую очередь относят " протонофоры " – вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме. Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Белок термогенин является физиологическим протонофором. Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН 2 на кислород. Они называются ингибиторы. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н + и работа АТФ - синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает. Выделяют три основных группы ингибиторов : действующие на I комплекс, например, амитал ( производное барбитуровой кислоты ), ротенон, прогестерон, действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А, действующие на IV комплекс, например, сероводород (H 2 S), угарный газ ( СО ), цианиды (-CN).

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи