Principii de bază ale organizării metabolice: etape, convergență, unificare. Metabolism.Căi metabolice

METABOLISM ȘI ENERGIE

Caracteristicile motivaționale ale subiectului.

Ca urmare a metabolismului, structurile celulare se formează continuu, se reînnoiesc și se distrug, diverși compuși chimici sunt sintetizați și distruși. Pentru a compensa costurile energetice ale organismului, pentru a menține greutatea corporală și pentru a satisface nevoile de creștere, este necesară furnizarea de proteine, carbohidrați, lipide, vitamine, săruri minerale și apă din mediul extern. Cantitatea, proprietățile și raportul lor trebuie să corespundă stării organismului și condițiilor de existență a acestuia, care este asigurată de nutriție. De asemenea, este necesar să curățați corpul de produsele finale de degradare care se formează în timpul descompunerii diferitelor substanțe. Aceasta este asigurată de organele excretoare.

Metabolismul este unul dintre principalele semne ale vieții.

Extras din programul de lucru

specialitatea „Diagnosticare de laborator”

teorie	practica
		Metabolismul și energia corpului uman Metabolismul proteinelor, grăsimilor, carbohidraților, mineralelor. Vitamine. Schimb de energie, termoreglare. Cunoştinţe metabolismul proteinelor, grăsimilor, carbohidraților, apei și mineralelor în corpul uman procese de aport, sinteza, descompunerea substantelor, dieta vitamine – concept, valoare biologică, necesar zilnic, clasificare reglarea metabolismului de către sistemul nervos și endocrin Abilități Calculați conținutul de calorii, creați o rație alimentară în funcție de cheltuielile fizice ale unei persoane

Calculați rata metabolică bazalăCurs.

Metabolism și energie Metabolismul (metabolismul) și energia este un ansamblu de transformări chimice și fizice care au loc într-un organism viu și îi asigură activitatea vitală în legătură cu mediul extern. Esența metabolismului este intrarea în organism a diferitelor substanțe din mediul extern, absorbția și utilizarea lor în procesul vieții și eliberarea produselor metabolice rezultate în mediul extern.

Metabolismul și energia sunt o proprietate specifică a unui organism viu.

Al doilea cel mai important scop biologic al metabolismului este de a asigura toate funcțiile vitale ale corpului cu energie.

Există două părți ale metabolismului: anabolism și catabolism. Anabolism- un ansamblu de reacții metabolice care conduc la construcția țesuturilor corpului și formarea de substanțe organice complexe în ele. Anabolismul se bazează pe asimilare– procesul organismului folosind substanțe exterioare acestuia și sinteza compușilor organici complecși caracteristici acestuia. Catabolism - un set de reacții metabolice care duc la descompunerea substanțelor într-un organism viu, se bazează pe disimilare– procesul de distrugere a substanțelor organice.

Procesele de asimilare și disimilare sunt indisolubil legate: disimilarea promovează procesele de asimilare, iar asimilarea este însoțită de o disimilare crescută (în mușchiul care lucrează, glicogenul se descompune în acid lactic și se eliberează energie; în timpul descompunerii, se formează esteri fosforici ai glucozei, adică datorită disimilației apar procese de disimilare).

De-a lungul vieţii se observă diferite relaţii cantitative între procesele de asimilare şi de disimilare: într-un organism în creştere predomină asimilarea; la un adult se stabilește un echilibru relativ între anabolism și catabolism; la bătrânețe, asimilarea rămâne în urma disimilației. Întărirea oricărei activități a organismului, în special a mușchilor, intensifică procesele de disimilare.

Toate organismele vii cu o structură celulară pot fi caracterizate ca sisteme deschise. În procesul vieții lor, ei trebuie să schimbe constant energie și materie cu mediul înconjurător. Energia este necesară de către celulele vii pentru biosinteza substanțelor organice complexe, efectuând diverse tipuri de mișcare, reproducere, osmoreglare, excreție de produse metabolice etc.

Există o presupunere că, în procesul de evoluție, primele organisme care au apărut pe planeta noastră au fost cele care au folosit ca surse de energie substanțe organice gata preparate acumulate în Oceanul Mondial datorită sintezei abiogene. Astfel de organisme sunt numite heterotrof . La acea vreme, atmosfera Pământului nu conținea practic oxigen,
prin urmare, aceste organisme ar putea obține energie din substanțe organice folosind diverse reacții redox și o pot stoca sub formă de ATP și NADH. Aceste reacții au avut loc în condiții anaerobe (adică fără oxigen). Pentru a-și construi substanțele organice inerente, ei au folosit și substanțe organice gata preparate ca blocuri de construcție. Prin urmare, ar trebui să fie numite mai strict chimioorganotrofe - organisme care folosesc substanțe organice gata preparate ca sursă de carbon și electroni (echivalenți de reducere) și obțin energie (ATP) în reacțiile redox. Mai târziu, au apărut organisme care au început să folosească lumina soarelui ca sursă de energie pentru sinteza ATP ( fotoorganotrofe ), și apoi dioxidul de carbon ca sursă de carbon ( fotolitotrofe ) - bacterii fotosintetice, plante (inferioare și superioare). Astfel de organisme sunt adesea numite fotosintetice , iar fotolitotrofele se numesc autotrofi , subliniind că sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din substanțe anorganice (dioxid de carbon). Un grup separat de organisme autotrofe este format din chimiosintetice (chimiolitotrofe ) - organisme care folosesc energia obținută din oxidarea substanțelor anorganice pentru a produce ATP și echivalenți reducători.

Acumularea de materie organică în natură ca urmare a activității autotrofelor a stimulat înflorirea în continuare a consumatorilor săi - heterotrofii, a început să apară în atmosferă oxigenul molecular, care este un agent oxidant puternic. Oxigenul s-a format în timpul fotosintezei ca produs secundar. Datorită prezenței oxigenului, a devenit posibilă utilizarea mai eficientă și mai completă a energiei stocate în substanțele organice. Astfel a apărut aerobic organisme capabile să oxideze complet substanțele organice complexe la apă și dioxid de carbon cu ajutorul oxigenului. Cu toate acestea, până în prezent s-au păstrat mixotrofice organisme care combină proprietățile autotrofelor, de ex. având capacitatea de a fotosintetiza și heterotrofe care se hrănesc cu substanțe organice gata preparate. Acestea includ, de exemplu, Chlamydomonas sau Euglena green.

Deci, pentru a obține energie, organismele vii (atât heterotrofe, cât și autotrofe - de exemplu, plantele verzi în întuneric sau celulele lor nefotosintetice) descompun și oxidează compușii organici. Setul de reacții biochimice de descompunere a substanțelor complexe în altele mai simple, care sunt însoțite de eliberarea și stocarea de energie sub formă de ATP (un compus universal bogat în energie), se numește metabolismul energetic(catabolism sau disimilare).

Alături de reacțiile de metabolism energetic, în celule au loc constant procese în care substanțe organice complexe inerente unui anumit organism, greutate moleculară mică (aminoacizi, zaharuri, vitamine, acizi organici, nucleotide, lipide) și biopolimeri (proteine, polizaharide, acizi nucleici) sunt sintetizate. Toate aceste substanțe sunt necesare pentru ca celula să construiască diverse structuri celulare și să îndeplinească diverse funcții. Pentru a sintetiza aceste substante, celulele folosesc dioxid de carbon, care se obtine din mediul extern (autotrofe), sau compusi organici mai complecsi (heterotrofe), precum si energie si echivalenti reducatori acumulati in procesul de metabolism energetic. Setul de procese de biosinteză care au loc în organismele vii cu cheltuirea de energie (și adesea echivalente reducătoare) se numește schimb plastic(anabolism sau asimilare).

Energia și metabolismul plastic care apar în celule sunt procese strâns legate între ele. Se întâmplă simultan și constant. Astfel, mulți produși intermediari care se formează în timpul reacțiilor de metabolism energetic sunt utilizați în reacțiile de biosinteză ca compuși inițiali. Iar energia stocată sub formă de legături macroergice ale ATP în timpul disimilării este utilizată constant în procesele de sinteză. Prin urmare, plasticul și schimbul de energie nu pot fi luate în considerare izolat unul de celălalt: acestea sunt două părți ale aceluiași proces - metabolism (metabolism ), care apare constant în toate sistemele vii și constituie baza biochimică a vieții.

În organismele vii aflate în contact și schimb constant cu mediul înconjurător, au loc modificări chimice continue care alcătuiesc metabolismul lor (multe reacții enzimatice). Amploarea și direcția proceselor metabolice sunt foarte diverse. Exemple:

a) numărul de celule E. coli dintr-o cultură bacteriană se poate dubla cu 2/3 în 20 de minute într-un mediu simplu cu glucoză şi săruri anorganice. Aceste componente sunt absorbite, dar doar câteva sunt eliberate în mediu de către celula bacteriană în creștere și constă din aproximativ 2,5 mii de proteine, 1 mie de compuși organici, diverși acizi nucleici în cantitate de 10-3 * 10 molecule. Este evident că aceste celule participă la o performanță biologică grandioasă în care sunt furnizate în mod obișnuit un număr mare de biomolecule necesare creșterii celulelor. Nu mai puțin impresionant este metabolismul unui adult, care menține aceeași greutate și compoziție corporală aproximativ 40 de ani, deși în acest timp consumă aproximativ 6 tone de hrană solidă și 37.850 de litri de apă. Toate substanțele din organism sunt transformate (complexe în simple și invers) cu 2/3 dintr-o serie de compuși secvențiali, fiecare dintre care se numește metabolit. Fiecare transformare este o etapă a metabolismului.

Setul de astfel de etape succesive catalizate de enzime individuale se numește cale metabolică. Metabolismul se formează din totalitatea căilor metabolice figurative și din funcționarea lor articulară. Aceasta se realizează secvenţial și nu haotic (sinteza aminoacizilor, descompunerea glucozei, acizilor grași, sinteza bazelor purinice). Stim foarte putine, deci mecanismul de actiune al substantelor medicamentoase este foarte transparent!!!

Întreaga cale metabolică este de obicei controlată de prima - a doua etapă a metabolismului (factor limitator, enzime cu centru alosteric - reglator).

Astfel de etape sunt numite cheie, iar metaboliții din aceste etape sunt numiți metaboliți cheie.

Metaboliții localizați pe căile metabolice încrucișate sunt numiți metaboliți nodulali.

Există căi metabolice ciclice: a) de obicei este implicată o altă substanță și dispare b) celula se descurcă cu o cantitate mică de metaboliți - economii; Căi de control pentru conversia nutrienților esențiali

alimente

Galeria de tir

Albinism Gușă endemică

pigment omogen. Compania de tiroxină

melanina

Alcapturia

dioxid de carbon și apă

Reglarea metabolismului

Fiecare reacție are loc cu o viteză proporțională cu nevoile celulei (celule „inteligente”!). Acestea specifice determină reglarea metabolismului.

I. Reglarea vitezei de intrare a metaboliților în celulă (transportul este influențat de moleculele de apă și gradientul de concentrație).

a) difuzie simplă (de exemplu apă)

b) transport pasiv (fără consum de energie, de exemplu pentoze)

c) transport activ (sistem purtător, ATP)

II. Controlul cantității anumitor enzime Suprimarea sintezei enzimatice de către produsul final al metabolismului. Acest fenomen reprezintă un control gros al metabolismului, de exemplu, sinteza enzimelor care sintetizează GIS este suprimată în prezența GIS în mediul de cultură bacteriană. Control dur - deoarece este implementat pe o perioadă lungă de timp în timp ce moleculele de enzime finite sunt distruse. Inducerea uneia sau mai multor enzime de către substraturi (creșterea concentrației unei enzime specifice). La mamifere, un fenomen similar este observat câteva ore sau zile mai târziu, ca răspuns la un inductor.

III. Controlul activității catalitice a) modificare covalentă (chimică) b) modificare alosterică (+/-) legături Modularea activității de către o enzimă deja prezentă este în principal reglarea alosterică (homo-, hetero-, homoheteroenzime) sau acțiunea activatorilor - aceasta este un mecanism de reglare subtil, deci cum acționează instantaneu ca răspuns la schimbările din mediul intracelular. Aceste mecanisme de reglare sunt eficiente la niveluri celulare și subcelulare, la niveluri intercelulare și de organe de reglare efectuată de hormoni, neurotransmițători, mediatori intracelulari și prostaglandine.

Căile metabolice:

1) catabolic

2) anabolic

3) amfobolitic (leagă primele două)

Catabolism- o succesiune de reacții enzimatice, în urma cărora distrugerea are loc în principal datorită reacțiilor de oxidare ale moleculelor mari (glucide, proteine, lipide, acizi nucleici) cu formarea luminii (acizi lactic și acetic, dioxid de carbon și apă) și eliberarea energiei conținute în legăturile covalente ale diferiților compuși, o parte din energie este stocată sub formă de legături de înaltă energie, care sunt apoi utilizate pentru lucrul mecanic, transportul de substanțe și biosinteza moleculelor mari.

Există trei etape ale catabolismului:

Etapa I - Digestia. Moleculele mari de alimente sunt descompuse în blocuri de construcție sub influența enzimelor digestive din tractul gastrointestinal și se eliberează 0,5-1% din energia conținută în legături.

Etapa II – Unificare. Un număr mare de produse formate în etapa 1 dă în etapa 2 produse mai simple, al căror număr este mic, iar aproximativ 30% din energie este eliberată. Această etapă este, de asemenea, valoroasă, deoarece eliberarea de energie în această etapă dă naștere sintezei de ATP în condiții fără oxigen (anaerobe), ceea ce este important pentru organism în condiții hipoxice.

Etapa III – ciclul Krebs. (acizi tricarboxilici/acid citric). În esență, acesta este procesul de transformare a unui compus cu două atomi de carbon (acid acetic) în 2 moli de dioxid de carbon, dar această cale este foarte complexă, ciclică, multienzimă, principalul furnizor de electroni pentru lanțul respirator și, în consecință, moleculele de ATP în procesul de fosforilare oxidativă. Aproape toate enzimele ciclului sunt localizate în interiorul mitocondriilor, astfel încât donatorii de electroni ai ciclului TCA donează liber electroni direct lanțului respirator al sistemului membranei mitocondriale.

Diagrama ciclului acidului tricarboxilic.

Succinil CoA - conține o legătură tioester de înaltă energie care poate fi transformată într-o legătură GTP de înaltă energie (fosforilarea substratului).

FAD - transferă electroni în CoQ al lanțului respirator: electron

alfa-cetoglutarat izocitrat de apă

alfa-cetoglutarat succinil CoA CO2

În plus față de toate, ciclul TCA este, în același timp, prima etapă a anabolismului.

Capitolul 5.

Elemente de termodinamică chimică

1. Organizarea reacțiilor chimice. Cicluri energetice

2. Fundamentele termodinamicii

3. Legile termodinamicii

4. Introducere în metabolism. Principii de organizare a metabolismului. Conceptul procesului de catabolism și anabolism.

5. Ierarhia reglării metabolice

6. Metabolismul energetic. Ce este bioenergia?

7. Potențialul de protoni.

8. Caracteristicile structurale ale ATP. Rolul macroergilor în metabolism.

9. O idee despre oxidarea biologică, rolul și tipurile sale, enzimele și coenzimele acestui proces. Oxidarea substraturilor energetice. Generarea potențialului de protoni. Mecanisme de reglare a acestuia.

10. Modalități de utilizare a oxigenului.

11. Sinteza ATP.

12. Căi metabolice comune. Ciclul acidului tricarboxilic este esența sa amfibolică. Potențial de protoni.

Compuși de înaltă energie importanți din punct de vedere biologic. Conceptul de oxidare biologică. Rolul oxidării biologice.

13. Reacții de oxidare-reducere. Căi de utilizare a oxigenului: oxidază și oxigenază.

14. Sinteza ATP. Sinteza ATP prin substrat și fosforilare oxidativă.

Generarea potențialului de protoni. Sinteza ATP datorită potenţialului de protoni.

15. Sarcini situaționale, sarcini teoretice și lucrări practice de laborator pe tema „Termodinamică biochimică”.

16. Metabolismul energetic și calea generală a catabolismului.

Termodinamică biochimică– o ramură a biochimiei care se ocupă cu studiul transformărilor energetice care însoțesc reacțiile biochimice. Principiile sale fundamentale ajută la explicarea de ce unele reacții apar și altele nu. Sistemele non-biologice pot lucra folosind energie termică, în timp ce sistemele biologice funcționează în mod izotermic și folosesc energia chimică pentru a desfășura procese de viață.

Activitatea vitală a unui organism este determinată de particularitățile organizării structurilor biologice, metabolismului și energiei, transferul de informații genetice și mecanismele de reglare.

Deteriorarea oricăreia dintre aceste legături duce la dezvoltarea unui proces patologic și a unei boli. Cunoașterea mecanismelor moleculare ale vieții și a tulburărilor acestora stă la baza căutării și utilizării clinice a medicamentelor de diferite naturi biologice.

Organizarea reacțiilor chimice.

Lanțurile de reacții chimice formează căi sau cicluri metabolice, fiecare dintre ele îndeplinește o funcție specifică. Se obișnuiește să se facă distincția între căile metabolice centrale și cele speciale. Ciclurile centrale sunt comune pentru descompunerea și sinteza macromoleculelor de bază. Ele sunt foarte asemănătoare în orice reprezentanți ai lumii vii. Ciclurile speciale sunt caracteristice sintezei și descompunerii monomerilor, macromoleculelor, cofactorilor individuali etc.

Cicluri energetice.

Datorită varietății de forme de nutriție și consum de energie, organismele vii din natură sunt strâns legate între ele. Relația în nutriție și utilizarea surselor de energie poate fi reprezentată sub forma unor cicluri energetice unice ale naturii vii.

Principalele componente ale acestui ciclu:

Soarele este o sursă de energie extraterestră,

Autotrofe care captează energia solară și sintetizează carbohidrați și alte substanțe organice din CO2

Heterotrofe - organisme animale care consumă materie organică și oxigen produs de plante

Fototrofele sunt plante care produc oxigen prin fotosinteză.

Pierderile de energie asociate cu activitatea vitală a tuturor organismelor de pe Pământ sunt compensate de energia Soarelui. Trebuie subliniat faptul că celulele animale și umane folosesc substanțe foarte reduse (carbohidrați, lipide, proteine) ca material energetic, i.e. conţinând hidrogen. Hidrogenul este o substanță valoroasă din punct de vedere energetic. Energia sa este transformată în energia legăturilor chimice ale ATP.

Metabolismul substanțelor și energiei stă la baza vieții organismelor și este una dintre cele mai importante caracteristici specifice ale materiei vii, care deosebește viața de nevii. Cea mai complexă reglare a metabolismului la diferite niveluri este asigurată de munca multor sisteme enzimatice, aceasta este autoreglarea transformărilor chimice.

Enzime sunt proteine ​​extrem de specializate care sunt sintetizate în celulă din blocuri de construcție simple - aminoacizi. Metabolismul se realizează cu participarea a câteva sute de tipuri diferite de enzime. Reacțiile catalizate de enzime oferă un randament de 100% fără formarea de produse secundare. Fiecare enzimă accelerează doar un anumit lanț de reacții ale unui anumit compus, fără a afecta alte reacții cu participarea sa (compusului). Prin urmare, multe reacții pot avea loc într-o celulă fără riscul de contaminare a celulei cu produse secundare. Sute de reacții în celule cu participarea enzimelor sunt organizate sub formă de reacții secvențiale - flux staționar.

În timpul transformărilor chimice, are loc o restructurare a învelișurilor electronice ale atomilor, moleculelor și ionilor care interacționează și are loc o redistribuire a forțelor de legătură chimică, ceea ce duce la eliberarea de energie (dacă rezultatul interacțiunii este întărirea legăturilor dintre atomi, ioni). și molecule), sau la absorbție (dacă aceste legături devin mai slabe). Prin urmare, toate reacțiile chimice se caracterizează nu numai prin modificări calitative profunde și relații stoichiometrice strict definite între cantitățile de substanțe inițiale și cele formate în urma reacției, ci și prin efecte energetice bine definite.

Legile termodinamicii

Prima lege a termodinamicii.

Conceptul proceselor de catabolism și anabolism.

Ansamblul transformărilor chimice ale substanțelor care au loc în organism, începând din momentul în care intră în sânge și până când produsele finale ale metabolismului sunt eliberate din organism, se numește metabolismul intermediar(schimb intermediar). Metabolismul intermediar poate fi împărțit în două procese - catabolism (disimilare) și anabolism (asimilare).

Catabolism numită descompunerea enzimatică a moleculelor organice relativ mari, de obicei în organismele superioare, pe calea oxidativă. Catabolismul este însoțit de eliberarea de energie conținută în structurile complexe ale moleculelor organice și stocarea acesteia sub formă de energie a legăturilor fosfatice ale ATP (proces exergonic, cu eliberare de energie Gibbs și stocare sub formă de ATP).

Anabolism este sinteza enzimatică a componentelor celulare moleculare mari, cum ar fi polizaharide, acizi nucleici, proteine, lipide, care se caracterizează prin energie Gibbs semnificativă și entropie scăzută, precum și sinteza unor precursori biosintetici ai compușilor mai simpli cu legături mai puternice (Gibbs scăzut). valori energetice și valori mari entropie - CO 2, NH 3, uree, creatinina).

Procesele anabolice au loc în celule simultan și sunt indisolubil legate între ele. În esență, ele ar trebui considerate nu ca două procese separate, ci ca două părți ale unui proces comun - metabolismul, în care transformarea substanțelor este strâns împletită cu transformarea energiei.

Catabolism.

Defalcarea nutrienților de bază în celulă este o serie de reacții enzimatice secvențiale care alcătuiesc 3 etape principale ale catabolismului (Hans Krebs) - disimilarea.

Etapa 1– moleculele organice mari se descompun în blocurile lor structurale specifice constitutive. Astfel, polizaharidele sunt descompuse în hexoze sau pentoze, proteinele în aminoacizi, acizii nucleici în nucleotide și nucleozide, lipidele în acizi grași, gliceride și alte substanțe.

Cantitatea de energie eliberată în această etapă este mică - mai puțin de 1%.

Etapa 2– se formează și molecule mai simple, iar numărul tipurilor lor este redus semnificativ. Este important de subliniat că aici se formează produse care sunt comune pentru metabolismul diferitelor substanțe - acestea sunt, așa cum ar fi, noduri care conectează diferite căi metabolice. Acestea includ: piruvat – format în timpul descompunerii carbohidraților, lipidelor, aminoacizilor; acetil-CoA - combină catabolismul acizilor grași, carbohidraților, aminoacizilor.

Intră produsele obținute în etapa a 2-a de catabolism a 3-a etapă, care este cunoscut sub numele de ciclu Krebs - ciclul acidului tricarboxilic (TCA), în care au loc procese de oxidare terminală. În această etapă, toți produșii sunt oxidați la CO 2 și H 2 O. Aproape toată energia este eliberată în etapele 2 și 3 de catabolism.

Toate etapele de catabolism sau disimilare de mai sus, care sunt cunoscute sub numele de „schema Krebs”, reflectă cel mai exact cele mai importante principii ale metabolismului: convergența și unificarea. Convergenţă– combinarea diferitelor procese metabolice caracteristice unor tipuri individuale de substanțe în unele unice comune tuturor tipurilor. Următoarea etapă este unificare– scăderea treptată a numărului de participanți la procesele metabolice și utilizarea produselor metabolice universale în reacțiile metabolice.

În prima etapă, principiul unificării este clar vizibil: în loc de multe molecule complexe de origini foarte diferite, se formează compuși destul de simpli în cantitate de 2-3 duzini. Aceste reacții apar în tractul gastrointestinal și nu sunt însoțite de eliberarea de cantități mari de energie. De obicei, este disipat sub formă de căldură și nu este utilizat în alte scopuri. Importanța reacțiilor chimice din prima etapă este pregătirea nutrienților pentru eliberarea efectivă de energie.

În a doua etapă, principiul convergenței este clar vizibil: fuzionarea diferitelor căi metabolice într-un singur canal - adică în a treia etapă.

La a 2-a etapă se eliberează aproximativ 30% din energia conținută în nutrienți. Restul de 60-70% din energie este eliberat în ciclul acidului tricarboxilic și în procesul de oxidare terminal asociat. În sistemul de oxidare terminal sau lanțul respirator, care se bazează pe fosforilarea oxidativă, unificarea atinge apogeul. Dehidrogenazele, care catalizează oxidarea substanțelor organice în ciclul TCA, transferă numai hidrogenul în lanțul respirator, care suferă transformări identice în procesul de fosforilare oxidativă.

Anabolism.

De asemenea, anabolismul trece prin trei etape. Substanțele inițiale sunt cele care suferă transformări în etapa a 3-a de catabolism. Astfel, stadiul 3 al catabolismului este stadiul inițial al anabolismului. Reacțiile acestei etape au o dublă funcție - amfibolică. De exemplu, sinteza proteinelor din aminoacizi.

Etapa 2 – formarea aminoacizilor din cetoacizi în reacțiile de transaminare.

Etapa 3 – combinarea aminoacizilor în lanțuri polipeptidice.

De asemenea, ca urmare a reacțiilor secvențiale, are loc sinteza acizilor nucleici, lipidelor și polizaharidelor.

În anii 60-70 ai secolului al XX-lea, a devenit clar că anabolismul nu este o simplă inversare a reacțiilor catabolice. Acest lucru se datorează caracteristicilor chimice ale reacțiilor chimice. O serie de reacții catabolice sunt practic ireversibile. Curgerea lor în sens opus este împiedicată de bariere energetice de netrecut. În cursul evoluției, au fost dezvoltate reacții de ocolire care au implicat cheltuirea energiei din compuși cu energie înaltă. Căile catabolice și anabolice diferă, de regulă, prin localizarea lor în celulă - reglarea structurală.

De exemplu: oxidarea acizilor grași are loc în mitocondrii, în timp ce sinteza acizilor grași este catalizată de un set de enzime localizate în citosol.

Datorită localizării diferite, procesele catabolice și anabolice din celulă pot avea loc simultan.

Principiile integrării metabolice

Astfel, căile metabolice sunt diverse, dar în această diversitate se află unitatea, care este o trăsătură specifică a metabolismului.

Această unitate constă în faptul că de la bacterii la țesutul extrem de organizat al unui organism superior, reacțiile biochimice sunt identice. O altă manifestare a unității este natura ciclică a celor mai importante procese metabolice. De exemplu, ciclul acidului tricarboxilic, ciclul ureei, ciclul pentozei. Aparent, reacțiile ciclice selectate în timpul evoluției s-au dovedit a fi optime pentru asigurarea funcțiilor fiziologice.

Când se analizează organizarea proceselor metabolice în organism, se pune în mod firesc întrebarea: cum se realizează menținerea proceselor în conformitate cu nevoile organismului în diferite perioade ale vieții sale? Aceste. Cum se menține „homeostazia” (un concept care a fost formulat pentru prima dată de Cannon în 1929) în fața situațiilor de viață în continuă schimbare, i.e. - când mediul intern și extern se modifică. S-a menționat deja mai sus că reglarea metabolismului se reduce în cele din urmă la modificări ale activității enzimelor. În același timp, putem vorbi despre o ierarhie a reglării metabolice.

Metabolismul energetic

Bioenergie - este o știință care studiază aprovizionarea cu energie a ființelor vii, cu alte cuvinte, transformarea energiei resurselor externe în muncă utilă biologic. Prima etapă a conversiei energiei este energizarea membranei - aceasta este generarea diferența transmembranară în potențialul electrochimic al ionilor de hidrogen sau potențialul proton (ΔμH +) și diferența transmembranară în potențialul electrochimic al sodiului sau al potențialului sodiu (ΔμNa +).

Capitolul 6.

Conceptul de oxidare biologică

Oxidarea biologică este totalitatea tuturor reacțiilor redox care apar în organismele vii.

Modalități de utilizare a oxigenului

Oxigenul este un agent oxidant puternic. Potențialul redox al perechii oxigen/apă este de +0,82 V. Oxigenul are o mare afinitate pentru electroni. Există două moduri de a utiliza oxigenul în organism: oxidază și oxigenază.

Oxidare

Calea oxidazei Calea oxigenazei

complet incomplet

Oxidare oxidare

produs final monooxi-dioxi-peroxid

Oxidarea genazei

H 2 O H 2 O 2 cale

R-OH HO-R-OH R-O-O-H

Calea oxidazei

Calea oxidazei pentru utilizarea oxigenului se bazează pe reacția de dehidrogenare, care are ca rezultat eliminarea a 2 atomi de hidrogen (2H↔2H + +2ē) din substratul oxidat cu transferul lor ulterior în oxigen.

Sunt necesare două perechi de electroni pentru a reduce complet oxigenul în apă.

(4ē). În același timp, se adaugă 2 ē la ½ O 2.

2ē ½O 2 + 2ē OH -

RH 2 + ½O 2 R + H 2 O OH - + 2H + -- 2 H 2 O

Reducerea incompletă a oxigenului la peroxid de hidrogen necesită o pereche de electroni (2 ē). Se adaugă câte un electron odată.

O 2 + ē O 2 - radical anion superoxid

Radical peroxid O 2 + H + HO 2

HO 2 + ē HO 2 - ion peroxid

HO - 2 + H + H 2 O 2 peroxid de hidrogen

Calea oxigenazei

Calea oxigenazei pentru utilizarea oxigenului se bazează pe includerea directă a oxigenului în substratul oxidat, cu formarea de compuși cu una sau mai multe grupări hidroxil sau compuși organici cu o grupare peroxid.

Monooxigenaze– sisteme enzimatice care catalizează includerea unui singur atom de oxigen în substratul modificat, iar al doilea atom de oxigen este redus în apă în prezența NADPH+H + ca sursă de hidrogen.

RH 2 + O 2 + NADPH + H + → R-OH + NADP + + H 2 O

Dioxigenazele– sisteme enzimatice care catalizează includerea a doi atomi de oxigen în substrat.

RH2 + 2O2 + NADPH + H + HO-R-OH + NADP +

Căile metabolice comune.

Acetil-CoA este un metabolit central pentru conversia glucozei, acizilor grași și a unor aminoacizi.

OH OH

TPP – hidroxietil

În a doua etapă, reziduul acil este acceptat de coenzima A (KoA-SH) și se formează acetil-CoA. Translocarea reziduului acil este catalizată de a doua enzimă a complexului - dihidrolipoiltransacetilaza . Purtătorul reziduului de acil este gruparea protetică a enzimei - acid lipoic

(compus asemănător vitaminelor), care poate fi sub două forme: oxidat și redus.

(Forma restaurată)

În a treia etapă are loc oxidarea formei reduse de acid lipoic. Acceptorul a doi atomi de hidrogen este coenzima NAD+. Reacția de oxidare este catalizată de o a treia enzimă - dihidrolipoil dehidrogenază, al cărui grup protetic este FAD.

NADH + H + furnizează lanțul respirator cu 2H + și 2ē și asigură sinteza a 3 moli de ATP.

Reglarea complexului de piruvat dehidrogenază (PDH)

Formarea acetil-CoA din piruvat este o reacție ireversibilă, deoarece ΔG = - 33,5 kJ/mol. Activitatea complexului de piruvat dehidrogenază este reglată în diferite moduri: reglare alosterică și prin fosforilare reversibilă (modificare covalentă). [ATP] / [ADP] și [NAD + ] / [NADH] sunt cele mai importante semnale care reflectă nevoile de energie ale celulei. PDH este activă în forma sa defosforilată. Protein kinaza PDH transformă enzima într-o formă fosforilată inactivă, iar fosfataza menține PDH într-o stare defosforilată activă. Când celula este saturată cu ATP (raportul molar [ATP]/[ADP] crește), protein kinaza este activată, care inhibă PDH.

ATP este produsul îndepărtat al reacției oxidative de decarboxilare a PVK. Pe lângă ATP, produsele de reacție activează protein kinaza: acetil-CoA și NADH. Când este produsă energie în exces, sistemul de reglare blochează formarea Acetil-CoA și, ca urmare, reduce rata ciclului TCA și sinteza ATP.

Fig.6-1. Reglarea activității protein kinazei piruvat decarboxilazei de către

Ciclul acidului tricarboxilic

Acest ciclu este numit și ciclul Krebs, în onoarea lui Hans Krebs (laureat al Premiului Nobel 1953), care a determinat succesiunea acestor reacții. Ciclul acidului tricarboxilic (TCA) - pe de o parte, este etapa finală a catabolismului proteinelor, carbohidraților și lipidelor, care este însoțită de generarea de coenzime reduse - substraturi energetice universale - FADH 2, NADPH + H +. Coenzimele reduse sunt utilizate în continuare de lanțul de transport de electroni mitocondrial pentru a genera ATP din ADP și PhN. Pe de altă parte, produșii intermediari ai ciclului TCA sunt substraturi pentru biosinteza substanțelor proteice endogene, compușilor carbohidrați și lipidici și a altor compuși.

Funcția catabolică a ciclului TCA.

Ciclul TCA este o secvență de 8 reacții, în urma cărora acetil-CoA (acid acetic activ) este oxidat la două molecule de CO 2 adică. la produsul final al metabolismului.

Acetil-CoA este o grupare acil cu doi atomi de carbon caracterizată printr-o legătură C-C foarte puternică. Scindarea directă a legăturii C-C în acetil-CoA este o sarcină chimică dificilă. În natură, există o soluție foarte comună pentru astfel de probleme - aceasta este o transformare ciclică. Ciclul TCA începe cu reacția de condensare a acetil-CoA cu oxalacetat (OAA) pentru a forma citrat (acid citric) și se termină cu formarea OAA în timpul oxidării malatului, adică. ciclul se inchide. Toate enzimele ciclului TCA sunt localizate în matricea mitocondrială și sunt proteine ​​solubile. O excepție este succinat dehidrogenaza, care este localizată pe suprafața membranei mitocondriale interioare.

Reacția de condensare.

Acetil-CoA + OAA + H2O → citrat + KoA-SH

Reacția este catalizată de o enzimă reglată - citrat sintază Aceasta este o reacție ireversibilă dependentă de energie, deoarece ΔG = - 32,2 kJ/mol. Sursa de energie în această reacție este energia de rupere a legăturii tioester din molecula de acetil-CoA.

Citratul este un hidroxiacid tricarboxilic. Gruparea hidroxil este situată la atomul de C terțiar Prin analogie cu alcoolii terțiari, citratul nu se oxidează.

Reacția de izomerizare.

Ca urmare a acestei reacții, gruparea hidroxo se deplasează de la poziția a 3-a la a 2-a a lanțului de carbon citrat și formarea unui izomer al acidului citric - izocitrat. Aconitaza, o enzimă cu stereospecificitate absolută, catalizează eliminarea secvenţială a H2O şi apoi adăugarea acesteia într-o altă poziţie.

Citrat → aconitat → izocitrat

Izocitratul este un izomer al acidului citric, în care gruparea OH este situată la atomul de carbon secundar. Prin analogie cu alcoolii secundari, izocitratul poate suferi oxidare pentru a forma un cetoacid.

Reacția de oxidare.

Fumarat de succinat

FAD FADN 2

Reacția este catalizată de succinat dehidrogenază dependentă de FAD. Enzima are stereospecificitate absolută. Produsul de reacție este fumarat (izomer trans). Coenzima redusă FADH 2 furnizează lanțului respirator cu 2H + și 2ē pentru generarea de ATP

Reacția de hidratare

Fumarat +H 2 O → malat

Adăugarea de apă la fumarat este catalizată de fumarază (denumirea tradițională a enzimei). Produsul de reacție este hidroxi acid - malat (acid malic).

Reacția de oxidare.

Malate OAA

NAD + NADH + H +

Reacția este catalizată de malat dehidrogenază dependentă de NAD+.

OAA este inclus în reacția de condensare cu o nouă moleculă de acetil-CoA, adică. Sistemul de incalzire centrala se inchide. Coenzima redusă NADH+H+ furnizează lanțului respirator cu 2H+ și 2ē și este implicată în procesul de fosforilare oxidativă.

Stoichiometria TTC.

CH 3 -CO-S-KoA + 2H 2 O + ZNAD + + FAD + PIB + H 3 PO 4 → 2CO 2 + 3NADH + ZN + + FADH 2 , +GTP + KoA-SH, AG=-40,0 kJ/mol

Astfel, ca rezultat al unei revoluții a ciclului, KoA-SH este scindat din acetil-CoA, iar reziduul de acetil este împărțit în 2 molecule de CO2. Acest proces metabolic este însoțit de:

Formarea a 4 coenzime reduse: 3 molecule de NADH +H + și 1 moleculă de FADH 2;

GTP + ADP→GDP +ATP

Efectul energetic al TCA.

Datorită fosforilării oxidative:

3NADH + H + → (6H + și 6ē) CPE → 3 x TATP = 9 ATP

FADN 2 → 2Н + și 2ē → CPE → 2ATP.

Datorită fosforilării substratului - 1 ATP

Total:în timpul oxidării a 1 moleculă de Acetil-CoA, cu condiția ca reacțiile de oxidare să fie cuplate cu fosforilarea oxidativă, se generează 12 molecule de ATP.

Funcția anabolică a ciclului TCA.

CTK servește ca sursă de intermediari (metaboliți intermediari), care sunt substraturi pentru multe reacții de biosinteză.

1. Succinil-CoA este un substrat pentru biosinteza porfirinelor . Introducerea unui cation de fier în porfirină duce la formarea grupului hemo-protetic de hemoproteine ​​(hemoglobină, mioglobină, catalază, citocromi etc.).

2. Citrat poate fi transportat, cu ajutorul proteinelor purtătoare, din matricea mitocondrială la citoplasmă, unde, sub acțiunea enzimei citrat liaza scindate pentru a forma acetil-CoA citosolic - un substrat pentru sinteza colesterolului, IVH.

Citrat + ATP + CoA → OAA + Acetil-CoA + ADP + H3PO4.

Z. OAA- folosind mecanismul navetă malat-aspartat, este transportat din matricea mitocondrială în citoplasmă, unde este transformat în aspartat în reacția de transaminare. , la rândul său, poate fi transformat în alți aminoacizi și poate participa la biosinteza proteinelor. Aspartatul este folosit și în sinteza bazelor azotate și, astfel, este implicat în sinteza nucleotidelor și acizilor nucleici. OAA (acetat de oxal) din citoplasmă poate suferi decarboxilare sub acțiunea fosfoenolpiruvat carboxikinazei în prezența GTP pentru a forma PEP, un metabolit intermediar implicat în sinteza glucozei (gluconeogeneză).

4. α-cetoglutarat intră în citoplasmă, unde este transformată în glutamina, prolină, histidină, arginină, care sunt incluse în continuare în sinteza proteinelor și a altor compuși importanți biologic. Astfel, ciclul TCA este un ciclu amfibolic.

Potențial de protoni.

Diferența transmembranară în potențialul electrochimic al ionului de hidrogen, ΔμH + sau potențialul proton, ocupă o poziție centrală în sistemul proceselor de transformare a energiei care au loc în membrana interioară a mitocondriilor. Datorită energiei resurselor externe, protonii sunt transportați prin membrana biologică împotriva forțelor câmpului electric în direcția de concentrare mai mare, rezultând generarea unei diferențe de potențial electrochimic. ΔμH + este format din 2 componente: electric sub forma unui gradient transmembranar de potenţiale electrice (Δφ) şi chimic, sub formă de concentrație transmembranară de ioni de hidrogen (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Energia potențială acumulată sub formă de Δφ și ΔрН poate fi utilizată într-un mod util, în special, în sinteza ATP.

Rolul ATP în metabolism

În sistemele biologice, ATP este produs și consumat constant. Cifra de afaceri ATP este foarte mare. De exemplu, o persoană în repaus folosește aproximativ 40 kg de ATP pe zi. Procesele consumatoare de energie pot fi efectuate în condiția regenerării constante a ATP din ADP. Astfel, ciclul ATP-ADP este principalul mecanism de schimb de energie în sistemele biologice.

sinteza ATP

Reacția de sinteză a ATP este reacția de fosforilare a ADP de către fosfatul anorganic (Figura 6-1).

ADP + H3PO4 → ATP + H2O .

Aceasta este o reacție endergonică, care are loc numai atunci când energia liberă este furnizată din exterior, deoarece ΔG = + 30,5 kJ/mol

(+ 7,3 kcal/mol). În consecință, sinteza ATP poate avea loc numai în condiția cuplării energetice cu reacții exergonice. În funcție de sursa de energie liberă, există două moduri de sinteză a ATP: fosforilarea substratului și fosforilarea oxidativă.

COUN COUN

ΔG= - 61,9 kJ/mol (- 14,8 kcal/mol).

Prin transferul direct al reziduului de acid fosforic bogat în energie din acești compuși cu energie înaltă în ADP, ATP este sintetizat.

ΣPEP +ADP→PVK +ATP

Compușii cu energie înaltă includ și compuși cu legături tioeter. De exemplu, succinil~S-KoA. Când legătura tioeter este ruptă, este eliberată energie, care este folosită pentru sinteza GTP (GDP + H3PO4 → GTP + H2O). Succinil~S-KoA + GDP +H3PO4 → Succinat + GTP + HS~CoA, AG=-35,5 kJ/mol.

Tipuri de vectori

FMN + 2H + + 2ē ↔ FMNN 2

Centre fier-sulf

Aceștia sunt purtători de electroni proteici non-hem care conțin fier. Există mai multe tipuri de centri fier-sulf: Fe-S, Fe 2 -S 2, Fe 4 -S 4. Atomii de fier ai complexelor pot dona și accepta electroni, transformându-se alternativ în fero-(Fe 2+) - și feri-(Fe 3+) - stare. Toți centrii fier-sulf donează electroni ubichinonei.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Ubichinonă, coenzima-Q (KoQ) este singurul purtător de electroni non-proteic.

CoQ (chinonă) CoQ (semichinonă) CoQH 2 (hidrochinonă)

La reducere, ubichinona dobândește nu numai electroni, ci și protoni. La reducerea cu un electron, se transformă în semichinonă, un radical liber organic. E o =+0,01

Citocromi– purtători de electroni proteici care conțin fier hem ca grup protetic. Funcționarea citocromilor se bazează pe o modificare a stării de oxidare a atomului de fier Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+. Diferiți citocromi sunt desemnați prin indici de litere: b, c 1, c, a, a 3. Citocromii diferă în structura părții proteice și a lanțurilor laterale heme, prin urmare, au și valori diferite ale potențialelor redox (potențiale de oxidare-reducere); Citocromul „b” E o= +0,08, „c i” E o = +0,22, „c” E o = +0,25,« aa z» E o = +0,29. Trăsătură distinctivă citocrom Cu este că se leagă lejer de suprafața exterioară a membranei mitocondriale interioare și o părăsește cu ușurință.

Toți acești purtători de electroni pot fi grupați în patru complexe enzimatice, structurate în membrana interioară a mitocondriilor, reprezentând un ansamblu enzimatic numit „enzime respiratorii”, „sistem citocrom”, „CPE” (lanț de transport de electroni).

Complexul I – NADH dehidrogenază (NADH-CoQ reductază). Grupuri protetice - FMN, FeS. Acceptor de electroni – KoQ.

Complex III – CoQH 2 dehidrogenază (KoQH 2-cyt.c-reductază). Grupuri protetice: FeS, citocromii b 1, b 2, c 1. acceptor de electroni - citocrom - p.

Complexul IV – citocrom oxidaza. Grupuri protetice: citocromii aa3, Cu 2+. acceptor de electroni - oxigen.

Complexul II – succinat dehidrogenază (Succinat-CoQ reductază). Grupe protetice FAD, FeS. Acceptor de electroni – KoQ.

Electronii sunt transportați între complexe folosind purtători mobili - ubichinonaŞi citocrom-c.

Purtătorii redox din CPE sunt aranjați în ordinea creșterii potențialelor oxidative standard, ceea ce asigură transportul spontan a doi electroni de-a lungul lanțului respirator de la NADH + H + la oxigen, acceptorul final de electroni. Transferul a doi electroni de-a lungul CPE este o muncă utilă și este însoțită de o eliberare pas cu pas a energiei libere Gibbs (ΔG), care este utilizată în continuare în sinteza ATP la faptul că electronii care reduc oxigenul se află la un nivel energetic mai scăzut în comparație cu electronii aflați în NADH +H + redus la începutul lanțului.

H. Generarea potențialului de protoni ΔμН +

Cum este transportul electronilor de-a lungul lanțului respirator cuplat cu transformarea energiei electrice eliberate în energia legăturilor chimice ale ATP? La această întrebare a răspuns în 1961 omul de știință englez Peter Mitchell. Conceptul său a fost că forța motrice pentru sinteza ATP este potenţial electrochimic, potenţial de protoni – ΔμH + . ΔμH +. = Δ pH+ Δ φ

pH este gradientul de protoni, Δφ este diferența de potențial electric. În 1978

P. Mitchell a fost distins cu Premiul Nobel, iar teoria chimiosmotică a devenit general acceptată.

Conform teoriei lui P. Mitchell, energia eliberată treptat în timpul transportului electronilor de-a lungul lanțului respirator este folosită pentru a pompa protoni din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar. Transportul 2H+ din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar creează un gradient de concentrație de protoni - ΔрН și duce la apariția unei sarcini negative pe suprafața membranei din matrice și a unei sarcini pozitive din spațiul intermembranar, care creează o diferență de potențial electric - Δφ. Sursa de protoni din matricea mitocondrială este NADH + H +, FADH 2, apa. Capacitatea de a genera potenţial de protoni este asigurată de:

1) impermeabilitatea membranei mitocondriale interne la ioni în general și, mai ales, la protoni.

2) transportul separat de protoni și electroni de-a lungul lanțului respirator. Acest lucru este asigurat de prezența a 2 tipuri de purtători: numai pentru electroni și pentru electroni și protoni în același timp.

4. Sinteza ATP datorită potenţialului de protoni

Introducere în metabolism (biochimie)

Metabolismul sau metabolismul este un ansamblu de reacții chimice din organism care îi asigură acestuia substanțele și energia necesare vieții. Procesul de metabolism, însoțit de formarea de compuși mai simpli din complecși, este desemnat prin termenul de catabolism. Un proces care merge în direcția opusă și duce în cele din urmă la formarea unui produs complex din altele relativ mai simple - anabolismul. Procesele anabolice sunt însoțite de consum de energie, procesele catabolice de eliberare.

Anabolismul și catabolismul nu sunt simple inversări ale reacțiilor.

Căile anabolice trebuie să difere de căile catabolice în cel puțin una dintre reacțiile enzimatice pentru a fi reglate independent, iar prin controlul activității acestor enzime se reglează viteza totală de descompunere și sinteza a substanțelor. Enzimele care determină viteza întregului proces în ansamblu sunt numite enzime cheie.

Mai mult, calea urmată de catabolismul unei anumite molecule poate fi nepotrivită pentru sinteza ei din motive energetice.

De exemplu, descompunerea glucozei în piruvat în ficat este un proces care constă din 11 etape succesive catalizate de enzime specifice. S-ar părea că sinteza glucozei din piruvat ar trebui să fie o simplă inversare a tuturor acestor etape enzimatice ale defalcării sale. Această cale pare la prima vedere atât cea mai naturală, cât și cea mai economică. Cu toate acestea, în realitate, biosinteza glucozei (gluconeogeneza) în ficat decurge diferit. Include doar 8 din cele 11 etape enzimatice implicate în descompunerea sa, iar cele 3 etape lipsă sunt înlocuite în el de un set complet diferit de reacții enzimatice, caracteristice doar acestei căi de biosinteză. În plus, reacțiile de catabolism și anabolism sunt adesea separate de membrane și apar în diferite compartimente celulare.	Tabelul 8.1. Compartimentarea unor căi metabolice în hepatocit
Compartiment	Căile metabolice
Citosol	Glicoliza, multe reacții de gluconeogeneză, activarea aminoacizilor, sinteza acizilor grași
	Membrana plasmatica
Sisteme de transport dependente de energie	Replicarea ADN-ului, sinteza diferitelor tipuri de ARN
Ribozomi	Sinteza proteinelor
Lizozomi	Izolarea enzimelor hidrolitice
Complexul Golgi	Formarea membranei plasmatice și a veziculelor secretoare
Microzomi	Localizarea catalazei și a aminoacizilor oxidazelor
Reticulul endoplasmatic	Ciclul acidului tricarboxilic, lanțul de respirație tisulară, oxidarea acizilor grași, fosforilarea oxidativă

Metabolismul îndeplinește 4 funcții:

1. furnizarea organismului cu energie chimică obţinută din descompunerea substanţelor alimentare bogate în energie;

2. transformarea nutrienților în blocuri de construcție care sunt utilizate în celulă pentru biosinteza macromoleculelor;

3. asamblarea structurilor macromoleculare (biopolimeri) și supramoleculare ale unui organism viu, întreținerea plastică și energetică a structurii acestuia;

4. sinteza și distrugerea acelor biomolecule care sunt necesare pentru îndeplinirea unor funcții specifice celulei și organismului.

O cale metabolică este o secvență de transformări chimice ale unei anumite substanțe din organism. Produșii intermediari formați în timpul procesului de transformare se numesc metaboliți, iar ultimul compus al căii metabolice este produsul final. Un exemplu de cale metabolică este glicoliza, sinteza colesterolului.

Un ciclu metabolic este o cale metabolică în care unul dintre produsele finale este identic cu unul dintre compușii implicați în acest proces. Cele mai importante cicluri metabolice din corpul uman sunt ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs) și ciclul ornitinei ureei.

Aproape toate reacțiile metabolice sunt în cele din urmă interconectate, deoarece produsul unei reacții enzimatice servește ca substrat pentru alta, care joacă rolul următoarei etape a procesului. Astfel, metabolismul poate fi reprezentat ca o rețea extrem de complexă de reacții enzimatice. Dacă fluxul de nutrienți într-o parte a acestei rețele este redus sau perturbat, atunci, ca răspuns, pot apărea schimbări într-o altă parte a rețelei, astfel încât această primă schimbare să fie cumva echilibrată sau compensată. Mai mult, atât reacțiile catabolice, cât și cele anabolice sunt ajustate în așa fel încât să decurgă cel mai economic, adică cu cea mai mică cheltuială de energie și substanțe. De exemplu, oxidarea nutrienților într-o celulă are loc într-un ritm suficient pentru a-și satisface nevoile de energie în acest moment.

Căi specifice și generale ale catabolismului

Există trei etape în catabolism:

1. Polimerii sunt transformați în monomeri (proteinele în aminoacizi, carbohidrații în monozaharide, lipidele în glicerol și acizi grași). Energia chimică este disipată sub formă de căldură.

2. Monomerii sunt transformați în produse obișnuite, în mare parte acetil-CoA. Energia chimică este parțial disipată sub formă de căldură, parțial acumulată sub formă de coenzime reduse (NADH, FADH2) și parțial stocată în legături de mare energie ale ATP (fosforilarea substratului).

Etapele 1 și 2 ale catabolismului se referă la căi specifice care sunt unice pentru metabolismul proteinelor, lipidelor și carbohidraților.

3. Etapa finală a catabolismului se reduce la oxidarea acetil-CoA la CO 2 și H 2 O în reacțiile ciclului acidului tricarboxilic (ciclul Krebs) - calea generală de catabolism. Reacțiile oxidative ale căii catabolice generale sunt asociate cu lanțul de respirație tisulară. În acest caz, energia (40–45%) este stocată sub formă de ATP (fosforilare oxidativă).

Ca rezultat al căilor catabolice specifice și generale, biopolimerii (proteine, carbohidrați, lipide) se descompun în CO2, H2O și NH3, care sunt principalii produși finali ai catabolismului.

Metaboliți în condiții normale și patologice

Sute de metaboliți se formează în fiecare secundă într-o celulă vie. Cu toate acestea, concentrațiile lor sunt menținute la un anumit nivel, care este o constantă biochimică specifică sau o valoare de referință. În boli, se modifică concentrația metaboliților, care stă la baza diagnosticului de laborator biochimic. Metaboliții normali includ glucoză, uree, colesterol, proteine ​​​​serice totale și o serie de altele. Dacă concentrația acestor substanțe depășește normele fiziologice (creștere sau scădere) indică o încălcare a metabolismului lor în organism.

Mai mult, o serie de substanțe din corpul unei persoane sănătoase se găsesc numai în anumite fluide biologice, ceea ce este determinat de specificul metabolismului lor. De exemplu, proteinele serice nu trec în mod normal prin filtrul renal și, prin urmare, nu sunt detectate în urină. Dar cu inflamația rinichilor (glomerulonefrită), proteinele (în primul rând albumine) pătrund în capsula glomerulară, apar în urină - proteinurie și sunt interpretate ca componente patologice ale urinei.

Metaboliții patologici sunt proteinele mielomului (proteinele Bence Jones), paraproteinele din macroglobulinemia Waldenström, acumularea de glicogen anormal în glicogenoză, diverse fracțiuni de lipide complexe în sfingolipidoze etc. Se găsesc doar în boli și nu sunt tipice pentru un organism sănătos.

Niveluri de studiu al metabolismului

Niveluri de studiu al metabolismului:

1. Întregul organism.

3. Secțiuni de țesut.

4. Culturi celulare.

5. Omogenate tisulare.

6. Organele celulare izolate.

7. Nivelul molecular (enzime purificate, receptori etc.).

Destul de des, pentru studiul metabolismului se folosesc izotopi radioactivi (3 H, 32 P, 14 C, 35 S, 18 O), care marchează substanțele introduse în organism. Se poate urmări apoi localizarea celulară a acestor substanțe, se poate determina timpul de înjumătățire și căile metabolice ale acestora.

Orez. 8.1. Schema cailor catabolice specifice si generale

Capitolul 9. Membrane biologice

Celula este un sistem biologic, a cărui bază este alcătuită din structuri membranare care separă celula de mediul extern, formează compartimentele acesteia și asigură, de asemenea, intrarea și îndepărtarea metaboliților, percepția și transmiterea semnalelor și sunt organizatori structurali ai căi metabolice.

Funcționarea coordonată a sistemelor membranare - receptori, enzime, mecanisme de transport ajută la menținerea homeostaziei celulare și, în același timp, răspunde rapid la schimbările din mediul extern.

Membranele sunt structuri supramoleculare necovalente. Proteinele și lipidele din ele sunt ținute împreună prin multe interacțiuni non-covalente (de natură cooperantă).

Principalele funcții ale membranelor includ:

1. separarea celulei de mediu și formarea de compartimente (compartimente) intracelulare;

2. controlul și reglarea transportului unei varietăți uriașe de substanțe prin membrane (permeabilitate selectivă);

3. participarea la asigurarea interacțiunilor intercelulare;

4. perceperea și transmiterea unui semnal în celulă (recepție);

5. localizarea enzimelor;

6. functie de transformare a energiei.

Membranele sunt asimetrice din punct de vedere structural și funcțional (glucidele sunt întotdeauna localizați în exterior și nu în interiorul membranei). Acestea sunt structuri dinamice: proteinele și lipidele care le compun se pot deplasa în planul membranei (difuzie laterală). Cu toate acestea, există și o tranziție a proteinelor și lipidelor de pe o parte a membranei pe cealaltă (difuzie transversală, flip-flop), care are loc extrem de lent.

Mobilitatea și fluiditatea membranelor depind de compoziția sa: raportul dintre acizii grași saturați și nesaturați, precum și colesterolul. Fluiditatea membranei este mai mică, cu cât este mai mare saturația acizilor grași în fosfolipide și cu atât conținutul de colesterol este mai mare. În plus, membranele se caracterizează prin auto-asamblare.

Proprietățile generale ale membranelor celulare:

2. mai puțin permeabile la substanțele polare (zaharuri, amide);

3. slab permeabil la ionii mici (Na +, Cl - etc.);

4. rezistență electrică caracteristic mare;

5. asimetrie;

6. poate restabili în mod spontan integritatea;

7. fluiditate.

Compoziția chimică a membranelor.

Membranele sunt compuse din molecule de lipide și proteine, ale căror cantități relative variază mult între diferitele membrane. Carbohidrații sunt conținuti sub formă de glicoproteine, glicolipide și alcătuiesc 0,5%-10% din substanțele membranei. Conform modelului lichid-mozaic al structurii membranei (Sanger și Nicholson, 1972), baza membranei este un strat dublu lipidic, la formarea căruia participă fosfolipidele și glicolipidele.

Bistratul lipidic este format din două rânduri de lipide, ai căror radicali hidrofobi sunt ascunși în interior, iar grupările hidrofile sunt orientate spre exterior și sunt în contact cu mediul apos. Moleculele de proteine ​​par să fie dizolvate în stratul dublu lipidic și relativ liber „plutesc în marea lipidelor sub formă de aisberguri pe care cresc copacii de glicocalix”.

Lipidele membranare.

Lipidele membranare sunt molecule amfifile, adică. molecula conține atât grupări hidrofile (capete polare), cât și radicali alifatici (cozi hidrofobe), care formează spontan un strat dublu în care cozile lipidelor se confruntă una cu cealaltă. Grosimea unui strat lipidic este de 2,5 nm, din care 1 nm pe cap și 1,5 nm pe coadă. Există trei tipuri principale de lipide prezente în membrane: fosfolipide, glicolipide și colesterol. Raportul molar mediu colesterol/fosfolipide este de 0,3–0,4, dar în membrana plasmatică acest raport este mult mai mare (0,8–0,9). Prezența colesterolului în membrane reduce mobilitatea acizilor grași și reduce difuzia laterală a lipidelor și proteinelor.

Fosfolipidele pot fi împărțite în glicerofosfolipide și sfingofosfolipide.

Cele mai comune glicerofosfolipide membranare sunt fosfatidilcolinele și fosfatidiletanolaminele. Fiecare glicerofosfolipidă, de exemplu fosfatidilcolina, este reprezentată de câteva zeci de fosfatidilcoline, care diferă unele de altele prin structura reziduurilor de acizi grași.

Învelișul de mielină a celulelor nervoase conține cantități semnificative de sfingomielină.

Glicolipidele membranare sunt reprezentate de cerebrozide și gangliozide, în care partea hidrofobă este reprezentată de ceramidă. Gruparea hidrofilă - un reziduu de carbohidrat - este atașată printr-o legătură glicozidică de gruparea hidroxil a primului atom de carbon al ceramidei. Glicolipidele se găsesc în cantități semnificative în membranele celulelor creierului, epiteliului și globulelor roșii.

Gangliozidele eritrocitelor diferiților indivizi diferă în structura lanțurilor de oligozaharide și prezintă proprietăți antigenice.

Colesterolul este prezent în toate membranele celulelor animale. Molecula sa constă dintr-un miez hidrofob rigid și un lanț hidrocarburic flexibil, singura grupare hidroxil fiind gruparea capului polar.

Funcțiile lipidelor membranare.

Fosfo- și glicolipidele membranelor, pe lângă participarea la formarea stratului dublu lipidic, îndeplinesc o serie de alte funcții. Lipidele membranare formează un mediu pentru funcționarea proteinelor membranare care își asumă conformația nativă.

Unele lipide membranare sunt precursori ai mesagerului secund în transmiterea semnalelor hormonale. Astfel, fosfatidilinozitol difosfat, sub acțiunea fosfolipazei C, este hidrolizat la diacilglicerol și inozitol trifosfat, care sunt mesageri secundari ai hormonilor.

O serie de lipide sunt implicate în fixarea proteinelor ancorate. Un exemplu de proteină ancorată este acetilcolinesteraza, care se ancorează de membrana postsinaptică la fosfatilinozitol.

Proteinele membranare.

Proteinele membranare sunt responsabile pentru activitatea funcțională a membranelor și reprezintă 30 până la 70%. Proteinele membranei diferă în funcție de poziția lor în membrană. Ele pot pătrunde adânc în stratul dublu lipidic sau chiar îl pot pătrunde - proteine ​​integrale, se pot atașa de membrană în diferite moduri - proteine ​​de suprafață sau contact covalent cu acesta - proteine ​​ancorate. Proteinele de suprafață sunt aproape întotdeauna glicozilate. Reziduurile de oligozaharide protejează proteina de proteoliză și sunt implicate în recunoașterea și aderența ligandului.

Proteinele localizate în membrană îndeplinesc funcții structurale și specifice:

1. transport;

2. enzimatic;

3. receptor;

4. antigenic.

Mecanisme de transport membranar al substanțelor

Există mai multe moduri de a transfera substanțe printr-o membrană: este transferul de molecule neutre mici de-a lungul unui gradient de concentrație fără a cheltui energie și purtători. Moleculele mici nepolare, cum ar fi O2, steroizii și hormonii tiroidieni, trec cel mai ușor prin difuzie simplă prin membrana lipidică. Molecule polare mici neîncărcate - CO 2 , NH 3 , H 2 O , etanol și uree - difuzează de asemenea la o viteză suficientă. Difuzia glicerolului este mult mai lentă, iar glucoza este practic incapabilă să treacă prin membrană singură. Membrana lipidica este impermeabila la toate moleculele incarcate, indiferent de dimensiune.

2. Difuzare facilitată– transferul unei substanțe de-a lungul unui gradient de concentrație fără consum de energie, dar cu un purtător. Caracteristic substanțelor solubile în apă. Difuzia facilitată diferă de difuzia simplă prin viteza de transfer mai mare și capacitatea de saturare. Există două tipuri de difuzie facilitată:

Transport prin canale speciale formate în proteinele transmembranare (de exemplu, canale selective pentru cationi);

Cu ajutorul proteinelor translocaze care interacționează cu un ligand specific, acestea asigură difuzarea acestuia de-a lungul unui gradient de concentrație (ping-pong) (transferul glucozei în eritrocite folosind proteina transportor GLUT-1).

Din punct de vedere cinetic, transferul de substanțe prin difuzie facilitată seamănă cu o reacție enzimatică. Pentru translocaze, există o concentrație de ligand saturată la care toate situsurile de legare proteină-ligand sunt ocupate și proteinele funcționează la viteză maximă. Prin urmare, viteza de transport a substanțelor prin difuzie facilitată depinde nu numai de gradientul de concentrație al substanței transportate, ci și de numărul de purtători din membrană.

Difuzia simplă și facilitată se referă la transportul pasiv, deoarece are loc fără consum de energie.

3. Transport activ– transportul unei substanțe împotriva unui gradient de concentrație (particule neîncărcate) sau a unui gradient electrochimic (pentru particulele încărcate), necesitând energie, cel mai adesea ATP.

Transportul activ secundar folosește un gradient ionic creat pe membrană datorită funcționării sistemului de transport activ primar (absorbția glucozei de către celulele intestinale și reabsorbția glucozei și aminoacizilor din urina primară de către celulele renale, realizată prin mișcarea Na + ioni de-a lungul unui gradient de concentrație).

Transportul macromoleculelor prin membrană. Proteinele de transport transportă molecule polare mici prin membrana celulară, dar nu pot transporta macromolecule precum proteine, acizi nucleici, polizaharide sau particule individuale.

Mecanismele prin care celulele pot prelua astfel de substanțe sau le pot îndepărta din celulă sunt diferite de mecanismele prin care ionii și compușii polari sunt transportați.

1. Endocitoza. Acesta este transferul unei substanțe din mediu în celulă împreună cu o parte a membranei plasmatice. Prin endocitoză (fagocitoză), celulele pot ingera particule mari, cum ar fi viruși, bacterii sau fragmente de celule. Absorbția lichidului și a substanțelor dizolvate în el prin vezicule mici se numește pinocitoză.

2. Exocitoza. Macromoleculele, cum ar fi proteinele plasmatice din sânge, hormonii peptidici și enzimele digestive, sunt sintetizate în celule și apoi secretate în spațiul intercelular sau în sânge. Dar membrana nu este permeabilă la astfel de macromolecule sau complexe secreția lor are loc prin exocitoză. Organismul are atât căi de exocitoză reglate, cât și nereglementate. Secreția nereglementată se caracterizează prin sinteza continuă a proteinelor secretate. Un exemplu este sinteza și secreția de colagen de către fibroblaste pentru a forma matricea intercelulară.

Secreția reglată se caracterizează prin depozitarea moleculelor pregătite pentru export în vezicule de transport. Cu ajutorul secreției reglate se eliberează enzimele digestive, precum și secreția de hormoni și neurotransmițători.

Capitolul 10. Metabolismul energetic. Oxidarea biologică

Organismele vii din punctul de vedere al termodinamicii sunt sisteme deschise. Schimbul de energie este posibil între sistem și mediu, care are loc în conformitate cu legile termodinamicii. Fiecare compus organic care intră în organism are un anumit aport de energie (E). O parte din această energie poate fi folosită pentru a face lucrări utile.

Această energie se numește energie liberă (G). Direcția unei reacții chimice este determinată de valoarea DG. Dacă această valoare este negativă, atunci reacția are loc spontan. Astfel de reacții sunt numite exergonice. Dacă DG este pozitiv, atunci reacția va avea loc numai atunci când energia liberă este furnizată din exterior - acestea sunt reacții endergonice. În sistemele biologice, reacțiile endergonice nefavorabile termodinamic pot apărea numai în detrimentul energiei reacțiilor exergonice. Astfel de reacții se numesc cuplate energetic.

Cea mai importantă funcție a multor membrane biologice este conversia unei forme de energie în alta. Membranele cu astfel de funcții sunt numite de conversie a energiei. Orice membrană care îndeplinește o funcție energetică este capabilă să transforme energia chimică a substraturilor oxidate sau ATP în energie electrică, și anume în diferența de potențial electric transmembranar (DY) sau în energia diferenței de concentrație a substanțelor conținute în soluții separate prin membrana și invers. Printre membranele de transformare a energiei care au cea mai mare importanță se numără membrana mitocondrială interioară, membrana citoplasmatică exterioară, membranele lizozomilor și complexul Golgi și reticulul sarcoplasmatic. Membrana exterioară a mitocondriilor și membrana nucleară nu pot transforma o formă de energie în alta.

Conversia energiei într-o celulă vie este descrisă de următoarea schemă generală:

Resurse energetice → ΔμI → muncă

Oxidarea biologică este procesul de dehidrogenare a unui substrat folosind purtători intermediari de hidrogen și acceptorul final al acestuia. Dacă oxigenul acționează ca acceptor final, procesul se numește oxidare aerobă sau respirație tisulară dacă acceptorul final nu este oxigen, se numește oxidare anaerobă. Oxidarea anaerobă are o importanță limitată în corpul uman. Funcția principală a oxidării biologice este de a furniza celulei energie într-o formă accesibilă.

Respirația tisulară este procesul de oxidare a hidrogenului cu oxigen în apă de către enzimele din lanțul de respirație tisulară. Se procedează după următoarea schemă:

O substanță este oxidată dacă renunță la electroni sau atât electroni, cât și protoni (atomi de hidrogen) sau adaugă oxigen. Capacitatea unei molecule de a dona electroni unei alte molecule este determinată de potențialul său redox. Orice compus poate dona electroni doar unei substanțe cu un potențial redox mai mare. Un agent oxidant și un agent reducător formează întotdeauna o pereche conjugată.

Există 2 tipuri de substraturi oxidabile:

1. Piridină dependentă - alcool sau aldehidă - izocitrat, α-cetoglutarat, piruvat, malat, glutamat, β-hidroxiacil-CoA, β-hidroxibutirat - dehidrogenazele dependente de NAD participă la dehidrogenarea lor.

2. dependente de flavină - sunt derivați ai hidrocarburilor - succinat, acil-CoA, glicerol-3-fosfat, colină - în timpul dehidrogenării transferă hidrogenul către dehidrogenazele dependente de FAD.

Lanțul de respirație tisulară este o secvență de purtători de protoni de hidrogen (H+) și electroni de la substratul oxidat la oxigen, localizați pe membrana interioară a mitocondriilor.

Orez. 10.1. Diagrama CTD

Componente CTD:

1. Dehidrogenazele dependente de NAD dehidrogenează substraturile dependente de piridină și acceptă 2ē și un H +.

2. Dehidrogenazele dependente de FAD (FMN) acceptă 2 atomi de hidrogen (2H + și 2ē). Dehidrogenaza dependentă de FMN dehidrogenează numai NADH, în timp ce dehidrogenazele FAD oxidează substraturile dependente de flavină.

3. Purtătorul liposolubil ubichinona (coenzima Q, CoQ) - se deplasează liber de-a lungul membranei mitocondriale și acceptă doi atomi de hidrogen și se transformă în CoQH 2 (forma redusă - ubichinol).

4. Sistemul citocrom – transferă doar electroni. Citocromii sunt proteine ​​care conțin fier, al căror grup protetic seamănă ca structură cu hem. Spre deosebire de hem, atomul de fier din citocrom se poate transforma reversibil dintr-o stare de două într-o stare trivalentă (Fe 3+ + ē → Fe 2+).

Acest lucru asigură participarea citocromului la transportul de electroni. Citocromii acționează în ordinea crescătoare a potențialului lor redox și sunt localizați în lanțul respirator astfel: b-c 1 -c-a-a 3.

Ultimele două lucrează în asociere ca o singură enzimă, citocrom oxidaza aa 3.

Citocrom oxidaza este formată din 6 subunități (2 - citocrom a și 4 - citocrom a 3). Pe lângă fier, citocromul a 3 conține atomi de cupru și transferă electroni direct în oxigen. Atomul de oxigen devine încărcat negativ și dobândește capacitatea de a interacționa cu protonii pentru a forma apă metabolică.

Proteine ​​fier-sulf (FeS) - conțin fier non-hem și participă la procesele redox care au loc printr-un mecanism cu un singur electron și sunt asociate cu flavoproteine ​​și citocromul b.

Organizarea structurală a lanțului de respirație tisulară

Componentele lanțului respirator din membrana interioară a mitocondriilor formează complexe:

1. Complexul I (NADH-CoQH 2 reductază) – acceptă electroni din NADH mitocondrial și îi transportă în CoQ. Protonii sunt transportați în spațiul intermembranar. FMN și proteinele fier-sulf sunt acceptori intermediari și purtători de protoni și electroni.

Complexul I separă fluxul de electroni și protoni.

2. Complexul II - succinat - CoQ - reductază - include dehidrogenaze dependente de FAD și proteine ​​fier-sulf. Transportă electroni și protoni din substraturi dependente de flavină la ubichinonă, formând intermediarul FADH 2 .

1. Lanț complet - substraturi dependente de piridină intră în el și transferă atomii de hidrogen în dehidrogenaze dependente de NAD

2. CTD incomplet (scurtat sau redus) în care atomii de hidrogen sunt transferați din substraturi dependente de FAD, ocolind primul complex.

Fosforilarea oxidativă a ATP

Fosforilarea oxidativă este procesul de formare a ATP asociat cu transportul electronilor de-a lungul lanțului de respirație tisulară de la substratul oxidat la oxigen. Electronii tind întotdeauna să se deplaseze de la sistemele electronegative la cele electropozitive, prin urmare transportul lor de-a lungul CTD este însoțit de o scădere a energiei libere. În lanțul respirator, în fiecare etapă, scăderea energiei libere are loc în trepte. În acest caz, se pot distinge trei regiuni în care transferul de electroni este însoțit de o scădere relativ mare a energiei libere. Acești pași sunt capabili să furnizeze energie pentru sinteza ATP, deoarece cantitatea de energie liberă eliberată este aproximativ egală cu energia necesară pentru sinteza ATP din ADP și fosfat.

Pentru a explica mecanismele de cuplare a respirației și fosforilării, au fost înaintate o serie de ipoteze.

Mecanochimic sau conformațional (Green-Boyer).

În timpul transferului de protoni și electroni, conformația proteinelor enzimatice se modifică. Ei tranzitează la o stare conformațională nouă, bogată în energie, iar apoi, când revin la conformația originală, renunță la energie pentru sinteza ATP.

Ipoteza conjugarii chimice (Lipman).

Substanțele „de cuplare” sunt implicate în cuplarea respirației și fosforilării. Acceptă protoni și electroni și interacționează cu H 3 PO 4 .

În momentul donării de protoni și electroni, legătura cu fosfatul devine de înaltă energie și gruparea fosfat este transferată în ADP cu formarea de ATP prin fosforilarea substratului. Ipoteza este logică, dar substanțele „conjugatoare” nu au fost încă izolate.

Ipoteza chemoosmotică de Peter Mitchell (1961)

Principalele postulate ale acestei teorii:

1. membrana interioară a mitocondriilor este impermeabilă la ionii H + și OH −;

2. datorită energiei transportului de electroni prin complecșii I, III și IV ai lanțului respirator, protonii sunt pompați din matrice;

3. potențialul electrochimic apărut pe membrană este o formă intermediară de stocare a energiei;

4. Revenirea protonilor în matricea mitocondrială prin canalul de protoni al ATP sintazei este furnizorul de energie pentru sinteza ATP conform schemei

ADP+H3P04 →ATP+H20

Dovezi pentru teoria chemioosmotică:

2. crearea unui gradient H+ în mitocondrii este însoțită de sinteza ATP;

3. ionoforii (decuplatoarele), care distrug gradientul de protoni, inhibă sinteza ATP;

4. inhibitorii care blochează transportul protonilor prin canalele de protoni ale ATP sintazei inhibă sinteza ATP.

Structura ATP sintetazei

ATP sintetaza este o proteină integrală a membranei mitocondriale interioare. Este situat în imediata apropiere a lanțului respirator și este denumit complex V. ATP sintaza constă din 2 subunități, denumite F0 și F1. Complexul hidrofob F0 este scufundat în membrana interioară a mitocondriilor și este format din mai mulți protomeri care formează un canal prin care protonii sunt transferați în matrice. Subunitatea F1 iese în matricea mitocondrială și constă din 9 protomeri. Mai mult, trei dintre ele leagă subunitățile F0 și F1, formând un fel de tulpină și sunt sensibile la oligomicină.

Esența teoriei chimiosmotice: datorită energiei transferului de electroni de-a lungul CTD, protonii se deplasează prin membrana mitocondrială interioară în spațiul intermembranar, unde se creează un potențial electrochimic (ΔμH +), ceea ce duce la o rearanjare conformațională a substanței active. centru al ATP sintazei, în urma căruia transportul invers al protonilor devine posibil prin canalele de protoni ale ATP sintazei. Când protonii revin înapoi, potențialul electrochimic este transformat în energia legăturii de înaltă energie a ATP. ATP-ul rezultat, cu ajutorul proteinei purtătoare a translocazei, se deplasează în citosolul celulei, iar în schimb ADP și Fn intră în matrice.

Coeficientul de fosforilare (P/O) este numărul de atomi de fosfat anorganic incluși în moleculele de ATP, calculat pentru un atom de oxigen absorbit utilizat.

Punctele de fosforilare sunt zone din lanțul respirator în care energia transportului de electroni este utilizată pentru a genera un gradient de protoni și apoi, în timpul fosforilării, este stocată sub formă de ATP:

1. 1 punct – între dehidrogenazele piridin-dependente și flavin-dependente; 2 puncte – între citocromii b și c 1; Punctul 3 – între citocromii a și a 3.

2. În consecință, în timpul oxidării substraturilor dependente de NAD, coeficientul P/O este egal cu 3, deoarece electronii din NADH sunt transportați cu participarea tuturor complexelor CTD. Oxidarea substraturilor dependente de FAD ocolește complexul I al lanțului respirator și P/O este 2.

Tulburări ale metabolismului energetic

Toate celulele vii necesită în mod constant ATP pentru a desfășura diverse activități. Perturbarea oricărei etape a metabolismului, care duce la încetarea sintezei ATP, este fatală pentru celulă. Țesuturile cu cerințe mari de energie (SNC, miocard, rinichi, mușchi scheletici și ficat) sunt cele mai vulnerabile. Condițiile în care sinteza ATP este redusă sunt denumite în mod colectiv „hipoenergetice”. Cauzele acestor afecțiuni pot fi împărțite în două grupuri:

Alimentare - inaniție și hipovitaminoză B2 și PP - există o întrerupere a aprovizionării cu substraturi oxidabile la CTD sau a sintezei coenzimelor.

Hipoxic – apare atunci când există o întrerupere în livrarea sau utilizarea oxigenului în celulă.

Reglarea sistemului nervos central.

Acest lucru se face folosind controlul respirației.

Controlul respirator este reglarea ratei de transfer de electroni de-a lungul lanțului respirator prin raportul ATP/ADP. Cu cât acest raport este mai mic, cu atât respirația este mai intensă și ATP-ul este sintetizat mai activ. Dacă ATP nu este utilizat și concentrația acestuia în celulă crește, fluxul de electroni către oxigen se oprește. Acumularea de ADP crește oxidarea substraturilor și absorbția de oxigen. Mecanismul de control respirator se caracterizează printr-o mare precizie și este important, deoarece, ca urmare a acțiunii sale, rata de sinteză a ATP corespunde nevoilor de energie ale celulei. Nu există rezerve de ATP în celulă. Concentrațiile relative de ATP/ADP din țesuturi variază în limite înguste, în timp ce consumul de energie al celulei poate varia de zece ori.

Biochimistul american D. Chance a propus luarea în considerare a 5 stări ale mitocondriilor, în care rata respirației lor este limitată de anumiți factori:

1. Lipsa SH 2 și ADP - rata respirației este foarte scăzută.

2. Lipsa SH 2 în prezența ADP - viteza este limitată.

3. Există SH 2 și ADP - respirația este foarte activă (limitată doar de viteza de transport ionic prin membrană).

4. Lipsa ADP în prezența SH 2 – respirația este inhibată (stare de control respirator).

5. Lipsa oxigenului, în prezența SH 2 și ADP - o stare de anaerobioză.

Mitocondriile dintr-o celulă în repaus sunt în starea 4, în care rata respirației este determinată de cantitatea de ADP. În timpul muncii intense, pot fi în starea 3 (capacitățile lanțului respirator sunt epuizate) sau 5 (lipsa oxigenului) - hipoxie.

Inhibitorii CTD sunt medicamente care blochează transferul de electroni de-a lungul CTD. Acestea includ: barbituricele (amytal), care blochează transportul electronilor prin complexul I al lanțului respirator, antibioticul antimicină blochează oxidarea citocromului b; Monoxidul de carbon și cianura inhibă citocrom oxidaza și blochează transportul electronilor la oxigen.

Inhibitorii fosforilării oxidative (oligomicină) sunt substanțe care blochează transportul H+ prin canalul de protoni al ATP sintazei.

Decuplatoarele de fosforilare oxidativă (ionofori) sunt substanțe care suprimă fosforilarea oxidativă fără a afecta procesul de transfer de electroni de-a lungul CTD. Mecanismul de acțiune al decuplatorilor este acela că sunt substanțe solubile în grăsimi (lipofile) și au capacitatea de a lega protoni și de a-i transfera prin membrana interioară a mitocondriilor în matrice, ocolind canalul de protoni al ATP sintazei. Energia eliberată în acest caz este disipată sub formă de căldură.

Decuplatoare artificiale - dinitrofenol, derivați de vitamina K (dicumarol), unele antibiotice (valinomicina).

Decuplatoarele naturale sunt produse ale peroxidării lipidelor, acizii grași cu lanț lung, doze mari de hormoni tiroidieni care conțin iod, proteine ​​termogenină.

Funcția de termoreglare a respirației tisulare se bazează pe separarea respirației și a fosforilării. Mitocondriile din țesutul adipos maro produc mai multă căldură deoarece proteina termogenină prezentă în ele decuplează oxidarea și fosforilarea. Acest lucru este important pentru menținerea temperaturii corporale a nou-născuților.