Введение в обмен веществ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
БИОХИМИЯ
ЭНЕРГЕТИКА ОБЩИХ ПУТЕЙ КАТАБОЛИЗМА
Учебное пособие
Чита – 2009
УДК 612.015.3:577.158(075.85)
Гомбоева А.Ц., Никитина Л.П., Хышиктуев Б.С. Биохимия. Энергетика общих путей катаболизма. Учебное пособие. – Чита: ИИЦ ЧГМА, 2009. –56 с.
В учебном пособии рассмотрены
биоэнергетические процессы, протекающие
в различных компартментах клетки. Особое
внимание уделено механизмам генерации
и трансформации энергии в митохондриях.
Приведены примеры некоторых заболеваний,
в генезе которых важное место занимает
нарушение нормального функционирования
дыхательной цепи, а также пути их
коррекции. Рассмотрены факторы про- и
антиоксидантных систем организма.
Предназначено для студентов медицинских вузов.
Рецензенты:
Зав. кафедрой общей химии ГОУ ВПО ЧГМА, к.б.н., доцент Н.Н. Коцюржинская
Зав. кафедрой медицинской физики и информатики ГОУ ВПО ЧГМА, доцент Ю.Н. Смоляков
ЧГМА, кафедра биологической химии с курсами
биоорганической химии и клинической биохимии
Чита, 2009
Содержание | |
Список сокращений | 5 |
Введение
в обмен веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . | 7 |
Глава I. Энергетический обмен | |
1.1. Свободная энергия и законы термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 12 |
1.1.1. Макроэргические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 13 |
1.1.2. Пути синтеза АТФ и его роль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 15 |
1.1.3. Окислительно-восстановительное равновесие, окислительно-восстановительный потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 17 |
1. | 18 |
1.2.1. Характеристика биологического окисления . . . . . . . . . . . . . . . . | 19 |
1.2.2. Сопряжение биологического окисления и окислительного фосфорилирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 25 |
1.2.3. Регуляция скорости дыхания митохондрий . . . . . . . . . . . . . . . . . | 26 |
1.2.4. Разобщение дыхания и фосфорилирования. . . . . .. . . . . . . . . . . . | 27 |
1.2.5.
Патология биоэнергетических процессов
. . . . . . | 30 |
1.2.6. Механизмы защиты от токсического действия кислорода. . . . . | 36 |
1.3. Микросомальное окисление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 40 |
Контрольные тесты к главе I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 42 |
Глава II. Общие пути катаболизма | |
2.1. Окислительное декарбоксилирование ПВК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 45 |
2.1.1.
Сущность преобразований пирувата . .
. . . . . . . . . . . . . . . . | 45 |
2.1.2. Регуляция процесса окисления пирувата . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 48 |
2.1.3. Патология окислительного декарбоксилирования ПВК. . . . . . | 49 |
2.2. Цикл трикарбоновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 49 |
2.2.1. Последовательность реакций цикла лимонной кислоты . . . . . . | 51 |
2.2.2. Энергетическая ценность процесса .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 55 |
2.2.3.Участие
витаминов в ЦТК . . . . . . . . . . . . . . . . | 56 |
2.2.4. Биологические функции цикла Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 56 |
2.2.5. Регуляция превращений цитрата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 58 |
Контрольные тесты к главе II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 58 |
Ответы на тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 61 |
Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 62 |
Список сокращений
АДФ – аденозиндифосфат
АМФ – аденозинмонофосфат
АТФ – аденозинтрифосфат
ГДФ – гуанозиндифосфат
ГТФ – гуанозин
ДГ – дегидрогеназа
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
ДОФА – диоксифенилаланин
ЖКТ – желудочно-кишечный тракт
КоА – коэнзим ацилирования (активная форма витамина В3)
КоQ – коэнзим Q (убихинон) окисленный
КоQН2 – коэнзим Q (убихинон) восстановленный
ЛК – липоевая кислота
МФП+ –1-метил-4-фенилпиридиния катион
МФТП – 1-метил-4-фенил-2,3,5,6-тетрагидропиридин
НАД+ – никотинамидаденин
НАДН – никотинамидадениндинуклеотид восстановленный
ОА – оксалоацетат
ПВК – пировиноградная кислота
ПОЛ – перекисное окисление липидов
РНК – рибонуклеиновая кислота
ТГФК – тетрагидрофолиевая кислота
ТДФ – тиаминдифосфат
Тир – тирозин
Три – триптофан
ТТФ – тимидинтрифосфат
УДФ – уридиндифосфат
УТФ – уридинтрифосфат
Фен – фенилаланин
Фн – фосфат н
ФАД – флавинадениндинуклеотид (окисленный)
ФАДН2 – флавинадениндинуклеотид (восстановленный)
ФМН – флавинмононуклеотид (окисленный)
ФМНН2 – флавинмононуклеотид (восстановленный)
ФП – фосфопиридоксаль
ЦДФ – цитидиндифосфат
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот
ЦТФ – тимидинтрифосфат
Цит – цитохром
ЭТЦ – электроно-транспортная цепь
Сu2+ – катион меди
GSH – глутатион (восстановленный)
Н+ – протон(ы)
HSKoA – кофермент ацилирования (свободный)
К+ – калия катион
Na+ – натрия катион
S – субстрат
Т• – радикал токоферола
Тн – токоферол (молекулярный)
Обмен
веществ (метаболизм) – совокупность многочисленных химических
реакций, протекающих в живых организмах,
благодаря которым осуществляется их
рост, жизнедеятельность, воспроизводство,
постоянный
контакт и обмен с окружающей средой.
Главная задача метаболизма – обеспечить организм энергией за счет окисления пищевых веществ. Кроме того, их молекулы используются в качестве исходного «сырья» для создания жизненно необходимых компонентов клетки. Ненужные организму структуры – «отходы» преобразуются в основном в хорошо растворимые в воде соединения, которые могут быть легко выведены (с мочой, калом, потом, слюной, выдыхаемым воздухом).
Метаболизм любых отдельно взятых веществ (углеводов, липидов, нуклеотидов и т.д.) складывается из двух фаз: анаболической и катаболической.
Анаболизм (anabole – подъем) – синтез соединений из более простых молекул. Реже эта фаза ограничивается для веществ лишь поступлением его в клетку из внешней среды. Причем этапы синтеза протекают с затратой энергии.
Катаболизм (katabole – сбрасывание
вниз, спуск) представляет комплекс
химических реакций распада соединений. Для некоторых из них эта фаза метаболизма
включает только их выведение из организма
(билирубин, холестерин). Интересно, что
многие стадии катаболизма протекают с
выделением свободной энергии
и запасанием ее в виде макроэргических веществ и использованием
позднее в различных процессах
жизнедеятельности.
Благодаря локализации ферментов разных фаз метаболизма в специфических компартментах (отсеках, органеллах) клеток эти противоположно направленные процессы протекают одновременно, не мешая, а даже помогая друг другу: продукты катаболизма часто служат субстратами для реакций синтеза, а энергия, высвобождающаяся при распаде, необходима для многих стадий анаболизма; восстановительные эквиваленты, являющиеся продуктами первой фазы, также используются в различных реакциях синтеза (табл. 1).
Процессы, с помощью которых обеспечивается взаимосвязь между фазами метаболизма, называются амфиболическими.
Таблица 1
Катаболизм | Анаболизм |
Распад Окисление Высвобождение энергии Получение низкомолекулярных соединений из высокомолекулярных | Синтез Восстановление Затраты энергии Образование высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных |
Нормальная
жизнедеятельность организма обеспечивается
динамическим равновесием между разными
фазами метаболизма (табл. 1), что служит
яркой иллюстрацией закона единства и
борьбы противоположностей. Так как для
синтеза различных структурно-функциональных
компонентов клеток требуется энергия,
которая выделяется только в процессе
катаболизма, то изучение метаболизма
начнем с рассмотрения стадий распада.
В процессе катаболических превращений выделяют три этапа (рис. 1).
I – Гидролитическая (пищеварительная). На этой стадии макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, сложные углеводы, липиды) распадаются путем гидролиза на свои основные строительные блоки: полипептиды до аминокислот, полисахариды до моносахаридов, нейтральные жиры до глицерола и высших жирных кислот и т.д.
Процесс
может локализоваться вне (распад пищевых
крупных мицелл в ЖКТ), а также протекать
внутри клеток, если гидролизуются
подобные структуры эндогенного
происхождения. Для этой стадии практически
не характерны экзэргонические (с выделением энергии) реакции: доля
высвободившейся
в них энергии не превышает 0,6% от всей
заложенной
в веществах.
Рис. 1. Схема стадий катаболизма
II – Специфический распад – продукты первой стадии с помощью специфических ферментов распадаются до ПВК и ацетил-КоА. Основная цель этапа – привести к общему знаменателю как можно больше субстратов, обеспечив тем самым при минимуме различных энзимов максимум эффективности процесса: гексозы, пентозы, глицерин, гликогенные аминокислоты расщепляются до пирувата; для высших жирных кислот и кетогенных аминокислот эта стадия завершается образованием ацетил-КоА и некоторых других соединений (2-оксоглутарата, сукцината, оксалоацетата – метаболитов цикла трикарбоновых кислот). Часть реакций является экзоэргоническими, при их течении высвобождается до трети заложенной в веществах энергии.
III – Неспецифический
распад представляет окончательное разрушение
всех немногочисленных по химической
природе продуктов II
стадии до СО2,
Н2О. Этот этап включает следующие неспецифические
процессы:
– окислительное декарбоксилирование пирувата;
– цикл трикарбоновых кислот;
– сопряженные с ними биологическое окисление и окислительное фосфорилирование.
Заключительная стадия катаболизма служит основным поставщиком энергии: в ходе реакций высвобождается до 2/3 от всей заложенной в соединениях энергии.
Рис. 2. Схема стадий анаболизма
Учитывая тесную взаимосвязь между фазами метаболизма логично предположить, что анаболизм тоже включает три стадии, отличающиеся тем, что они идут в противоположном направлении, причем обычно протекают в других компартментах клетки, и часть реакций в силу их энергозависимости проходит другим путем (рис. 2).
Чтобы
не пришлось повторять рассмотрение
конечного звена катаболизма
для различных биополимеров и выяснить
происхождение используемой в процессе
жизнедеятельности
энергии, этапы метаболизма мы начинаем
с завершающей стадии – с изучения
энергетического
обмена.
Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика
Ф КГМА 1-8-21/02
МУ «Организация методической работы в соответствии с ГОСО 2006 года» от 04.07.2007 г
КАРАГАНДИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра биохимии
ЛЕКЦИЯ
Тема: Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика
Дисциплина Биологическая химия
Специальность 051102 – Общественное здравоохранение
Курс II
Время (продолжительность) 50 минут
Караганда 2008г.
Тема: Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика
Цель лекции: ознакомить студентов с обменом веществ, общими путями катаболизма
План лекции:
1. Обмен веществ и питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Понятие о специфических и общих путях катаболизма.
2.Окислительное декарбоксилирование пирувата.
3.Цикл лимонной кислоты.
1.Обмен веществ и питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Понятие о специфических и общих путях катаболизма.
Метаболизм или обмен веществ – совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности.
Центральную роль в энергетическом обмене выполняет цикл АТФ – АДФ. Молекула АТФ содержит в себе три макроэргических связи. Макроэргической или богатой энергией называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты и это один из основных путей запасания энергии в организме.
Способы синтеза АТФ. 1. Окислительное фосфорилирование. Происходит только в присутствии кислорода. Основной принцип: для образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата используется энергия градиента электрохимического потенциала 2.Перенос фосфатного остатка на АДФ через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп. Осуществляется в анаэробных условиях.
Субстратное фосфорилирование. В этом случае неорганический фосфат переносится на АДФ (ГДФ, ЦДФ) за счет высокого химического потенциала. Такие процессы называют «субстратным фосфорилированием», поскольку они являются частью метаболического пути («субстратной цепи»).
В макроэргических связях АТФ аккумулируется энергия, выделяемая в процессе катаболизма; Энергия АТФ используется в реакциях анаболизма и обеспечивает различные виды работы, включая сокращение мышц, активный транспорт, продукцию тепла.
Метаболический путь – это последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Метаболиты – это промежуточные продукты, образующиеся на разных этапах химического превращения вещества, последнее соединение метаболического пути называется конечным продуктом.
Процесс распада сложных веществ на более простые называется катаболизмом. При этом высвобождается энергия. Синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом. Он идет с затратой энергии. Существует понятие амфиболизм, когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое.
Метаболический цикл – это метаболический путь, конечный продукт или один из конечных продуктов идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс.
Вещества, поступающие с пищей, называются субстратами метаболизма. К ним относятся основные пищевые вещества (белки, углеводы, липиды) и минорные (витамины, минеральные вещества). Белки, углеводы и липиды подвергаются гидролизу в пищеварительном тракте. В результате образуются простые метаболиты, такие как глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты. В свою очередь эти метаболиты вступают в общие пути катаболизма и образуются пировиноградная кислота (пируват), либо ацетил – СоА. Пируват образуется в реакциях катаболизма глюкозы, глицерина и аминокислот. Ацетил – СоА образуется в реакциях катаболизма жирных кислот, аминокислот и из пирувата.
2.Окислительное декарбоксилирование пирувата.
Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма, который включает: окислительное декарбоксилирование пирувата и цитратный цикл. Итогом общего пути катаболизма является образование конечных продуктов СО2 и Н2О.
2.Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Реакция катализируется тремя ферментами, работающими в определенной последовательности и объединенными в пируватдегидрогеназный комплекс. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.
Первый фермент комплекса – пируватдекарбоксилаза. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО2, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте – коферменту второго фермента с образованием ацетил-липоата. Кофермент пируватдекарбоксилазы – тиаминдифосфат.
Второй фермент комплекса – дигидролипоат-
Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD+ с образованием NADH+H+
NADH+H+ далее поступает в дыхательную цепь, основная часть ацетил-СоА вступает в цитратный цикл. Также ацетил-КоА может расходоваться в реакциях синтеза жирных кислот, холестерина, кетоновых тел.
3.Цикл лимонной кислоты.
Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) – это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента, имеющего различное происхождение. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла локализованы в митохондриях.
Цикл назван в честь Ханса Кребса, который описал многие из этих реакций и в 1953 году получил Нобелевскую премию.
Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) – это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента различного происхождения. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:
– полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2;
– образование трех молекул NADH+H+ и одной молекулы FADh3;
– образовапие одной моѻекулы ГТФ в результате0с葃бстратного фосфорилированиэ.
Ряд промежуточных продуктов цитратного цикла служат предшественниками для синтеза других соединений. Так сукцнил-СоА используется для синтеза гема, оксалоаFетит и -кетоглутарат – для синтеза аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Первая реакция цикла – это конденсирование ацетилКоА и оксалоацетата. При этом продуктом реакции является цитрат. Реакцию катализирует цитратсинтаза.
Вторая реакция: изомеризация цитрата в изоцитрат через образование промежуточного продукта (аконитат, который остается связанным с ферментом) Реакцию катализирует аконитаза.
Изоцитрат превращается в -кетоглутарат (2-оксоглутарат). Реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа. В реакции происходит восстановление НАД+ до НАДН + Н+. СО2, который образуется в этой реакции, идёт на синтез цитрата.
(-кетоглутарат превращается в сукцинилКоА с помощью альфа-
Сукцинил-КоА превращается в сукцинат и кофермент А. Реакцию катализирует сукцинилКоАсинтетаза (сукцинилтиокиназа). Энергия расщепления тиолсложноэфирной связи используется на образование фосфоангидридной связи: из ГДФ образуется ГТФ. Эта реакция субстратного фосфорилирования. ГТФ превращается в АТФ в реакции, катализируемой нуклеозиддифосфаткиназой. Сукцинат превращается в фумарат с последующим восстановлением ФАД. Реакцию катализирует сукцинатдегидрогеназа.
Фумарат превращается в малат. Реакцию катализирует фумараза. Малат превращается в оксалоацетат с последующим восстановлением НАД+ до НАДН + Н+. Реакцию катализирует малатдегидрогеназа.
Общий энергетический баланс цитратного: за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с учетом реакции субстратного фосфориҳирования (и последуюсего превращения ГТФ в АТФ) – 1 молекул АТФ. Окисленные коферменты вновь возвращаются в реакции общих путей катабЮлизма. РегенераІия коферментов – это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования
АнабОлические процессы быстро истощают пул некоторых метаболитов цитратного цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет метаболитов, поступающих из других источников. Ферментативные процессы, пополняющие запас промежуточных продуктов цикла, называются анаплеротическими (возмещающими) реакциями. К ним относятся, например, реакции катаболизма некоторых аминокислот с образованием пирувата.
Анимация «Введение в метаболизм»
Анимация «Пируватдегидрогеназный комплекс»
Анимация «Цикл Кребса»
Анимация «РеГуляция ЦТК»
Литератуـа:
1.Биохимия. Учебник /п>д редакцией член – корр РАН, проф. Е.С. Северина – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003.- 784 с
2. Марри Р., ГреНнер Д., Мейес П., Ѐодуэлл В. Биохимия челоВека: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с ангЛ: – М.: Мир, 1993. – 384с.
Введение в метаболизм: метаболические пути — BIOC*2580: Введение в биохимию
Перейти к содержимому
Рисунок 17.1 Схема клеточных метаболических путей. Не запоминайте это, а поймите общие принципы, применимые ко всей биохимии. Диаграмма в Рисунок 17.1 представляет собой схему клеточных метаболических путей. Мы собираемся изучить лишь очень небольшую часть этой сложности. Наша цель; однако, — это не просто запоминание фактов (хотя кое-что из этого нам нужно сделать), а выведение из нескольких конкретных примеров общих принципов, которые мы можем применить ко всем аспектам биохимии. Изучая метаболизм, мы вскоре видим, что существует много общих тем для клеточных химических преобразований, независимо от того, рассматриваем ли мы такие разнообразные процессы, как биосинтез аминокислот, метаболизм стероидных гормонов или восстановление ДНК.
Рис. 17.2 Процессы катаболизма и анаболизма.
Мы можем довольно четко разделить метаболизм на две половины: анаболизм , процесс создания более крупных и сложных молекул из простых предшественников , и катаболизм , расщепление больших молекул и пищевых продуктов на более простые продукты ( рис. 17.2) . В этом курсе мы сосредоточимся на центральных катаболических путях метаболизма жирных кислот и сахаров.
Все клетки одновременно осуществляют как катаболические, так и анаболические процессы. Между этими двумя частями метаболизма существует множество связей, включающих соединения, реакции, гены, клеточную физиологию и энергию. В большинстве случаев катаболические процессы поставляют энергию АТФ, а анаболические процессы требуют этой энергии. Энергетически «восходящие» реакции при анаболизме обычно продвигаются вперед за счет соединения с гидролизом АТФ, как мы уже обсуждали.
Рисунок 17.3 Конвергенция катаболических путей по продукции ацетил-КоА.
Сложность метаболизма неоспорима; даже самая простая клетка содержит сотни маленьких молекул и тысячи белков. Но многие общие темы упрощают эту сложность. Вот одна тема: Катаболические процессы обычно сходятся. Например, углеродные «скелеты» большинства сахаров, жиров и аминокислот превращаются в один центрально важный метаболит, переносчик двухуглеродных (ацетатных) звеньев, называемый ацетилкоферментом А (рис. 17.3) . Этот паттерн позволяет клетке работать, используя довольно ограниченное количество высокопоточных тщательно регулируемых «основных бизнес-операций», сохраняя при этом метаболическую гибкость, позволяющую использовать широкий спектр химического «сырья».
Рисунок 17.4 Анаболические пути расходятся с ацетил-КоА, образуя несколько биосоединений.
Анаболические процессы расходятся. Например, ацетилкоэнзим А можно использовать для создания всего, от жирных кислот до стероидов или компонентов белков и нуклеиновых кислот (рис. 17.4) .
Даже самый сложный метаболический путь , например, превращение исходного материала в нечто неузнаваемое, такое как переход от глутамата к гему , происходит шаг за шагом. Каждый этап представляет собой химическую реакцию, катализируемую ферментами. Многие из этих реакций протекают по простым и понятным химическим направлениям, и одни и те же химические «темы» возникают снова и снова в немного разных контекстах. Как только вы сможете распознать некоторые из этих химических «мотивов», сложность метаболических путей перестанет вызывать недоумение. Эти реакции превращают предшественник (A, справа ) в продукт (Е) через ряд промежуточных продуктов, известных как метаболиты. Каждый этап метаболического пути вызывает небольшое, но специфическое химическое изменение (удаление, добавление или перенос определенного атома или функциональной группы). В то время как каждый шаг связан по порядку, он может привести к трансформации, которая совсем не очевидна.
Метаболические пути – это «улицы с односторонним движением» (необратимые) т.е., они всегда происходят в одном направлении . Они содержат по крайней мере одну термодинамически очень выгодную реакцию. Все метаболические пути регулируются, и r регулирование происходит вблизи начала пути . Активность ферментов регулируется посредством транскрипционного контроля уровня фермента, а также посредством ингибирования и активации активности фермента, например, посредством обратимого фосфорилирования, ингибирования по принципу обратной связи.
Выяснение сложных метаболических путей можно рассматривать как идентификацию ряда связанных взаимосвязей предшественник-продукт, в которых продукт одного этапа является предшественником следующего. Ни один из шагов сам по себе не примечателен. Однако, когда они соединены вместе по порядку, они могут вызвать трансформацию, которая вовсе не очевидна.
Клетки очень сложны. Одновременно происходят тысячи реакций. Несколько метаболических путей имеют огромные потоки , что означает, что через эти пути обрабатывается очень большое количество материала. В основном это «центральные» катаболические пути, такие как гликолиз. На самом деле, это были первые пути, обнаруженные в начале 20-го века учеными, использующими методы, которые кажутся очень грубыми и малочувствительными (по сегодняшним меркам). Например, большая часть гликолиза была выяснена путем простого взятия клеток, таких как дрожжи, создания бесклеточного экстракта, добавления глюкозы, а затем использования старомодных методов химического анализа для обнаружения продуктов. Этот подход не очень хорошо работал, пока Харден и Янг не обнаружили (совершенно случайно, как и многие хорошие открытия!), что процесс идет намного быстрее, когда добавляется фосфат. После этого они смогли разобраться с продуктами. Однако, если метаболический путь имеет меньший поток, количества продукта настолько малы, что люди не могут легко обнаружить их с помощью «низкотехнологичных» методов. Как следствие, многие тропы оставались совершенно загадочными. Прими стероид холестерин , например. К 1930-м годам его структура была известна, и все понимали, что это очень важный метаболит, но никто ничего не знал о том, как он образуется в клетке.
Выяснение метаболического пути начинается с выяснения отношений предшественник-продукт : какое соединение превращается в какое соединение, шаг за шагом? Затем мы можем задаться вопросом о стехиометрии каждой стадии – какие еще кофакторы и субстраты участвуют в реакциях? Какие ферменты катализируют каждую стадию? Как регулируются шаги? Какие гены их кодируют? Все эти вопросы интересуют биохимиков.
- Применение ингибиторов метаболизма
Рисунок 17.5 Использование ингибитора Е2 для определения порядка ферментативных реакций в путиКлетки очень сложны. Одновременно происходят тысячи реакций. Только очень немногие метаболические пути имеют достаточно большие потоки через них, чтобы позволить нам изолировать и идентифицировать промежуточные продукты без каких-либо внешних манипуляций (например, гликолиза). Поток через большинство метаболических путей очень мал, так что выделение конкретных промежуточных продуктов из тысяч метаболитов, присутствующих в клетке, совершенно невозможно.
Ингибиторы метаболизма блокируют пути в определенных точках (рис. 17.5) . Это приводит к накоплению предшествующих промежуточных продуктов. Как показано в приведенном выше примере, если фермент E2 ингибируется, B начинает накапливаться, поскольку он больше не может быть преобразован в C.
Присутствие повышенного количества B позволяет нам выделить и идентифицировать его.
- Биохимическая генетика
а) Генетика Болезни
Рисунок 17.6 Дефицит определенного фермента в пути из-за генетического изменения приводит к накоплению метаболических промежуточных продуктов.В 1940 году Джордж Бидл и Эдвард Татум поняли, что каждый фермент в клетке кодируется определенным геном. Тот факт, что генетические заболевания человека являются следствием дефицита специфических ферментов, был впервые установлен Арчибальдом Гарродом в 1904 году. Эти «эксперименты природы» также внесли большой вклад в наше понимание метаболических путей. Эффект генетических заболеваний аналогичен описанному выше при применении ингибиторов метаболизма. Дефицит определенного фермента метаболического пути приводит к накоплению промежуточных продуктов, предшествующих моменту дефицита (рис.
17.6) . например, у лиц с алкаптонурией заболевание возникает из-за дефицита фермента на пути катаболизма фенилаланина, что вызывает накопление гомогентизиновой кислоты в их крови и в конечном итоге приводит к ее выделению с мочой. У этих больных отсутствует фермент, расщепляющий гомогентизиновую кислоту.
b) Ауксотрофные мутанты
Escherichia coli (бактерия, которую мы чаще всего изучаем в лаборатории, обнаруженная доктором Теодором Эшерихом) представляет собой прототроф («первый — пищевой»). Все, что ему нужно, это сахар, источник азота, такой как аммиак, немного минеральных солей, и он будет счастливо расти, производя все необходимые ему метаболиты. Мы называем этот рецепт из сахара и солей «минимально-средним». Но если ген, кодирующий важный фермент, инактивирован мутацией и штамм не может производить продукт определенного метаболического пути, он станет ауксотрофом («помощь — пища»).
Ауксотрофы могут быть получены путем воздействия на культуру бактерий мутагеном, вызывающим мутации в ее генах. Бактерии, несущие мутации в ферментах определенного пути, могут быть идентифицированы по их потребности в конечном продукте этого конкретного пути для роста. т.е., если есть мутация фермента на пути синтеза пролина, мутантный штамм не может производить аминокислоту пролин. Он больше не является прототрофом и требует запаса пролина для роста. Этот мутантный штамм не может расти на минимальной среде, но он может расти на минимальной среде плюс пролин! Бактерии могут просто поглощать необходимый им пролин из среды. (То же самое верно и для многих других метаболитов; пролин используется здесь просто в качестве примера). Как только мы найдем такой мутант, мы сможем проанализировать его химически/биохимически, чтобы идентифицировать метаболиты, которые накапливаются до необычно высоких уровней — они, вероятно, являются предшественниками пролина. Затем мы можем проанализировать его генетически, чтобы найти мутировавший ген — это должен быть ген, кодирующий фермент биосинтеза пролина.
Обнаружение ауксотрофных мутантов с помощью посева реплик
Рисунок 17.7 Обнаружение ауксотрофных мутантов с помощью посева реплик. Как мы находим такие ауксотрофные мутанты? Мы можем делать это систематически. Во-первых, мы берем культуру E. coli и подвергаем ее воздействию мутагенного химического вещества, чтобы вызвать мутации во многих генах бактерии. Затем мы помещаем клетки на минимальную среду с добавлением пролина и позволяем каждой клетке вырасти в колонию (это занимает около 48 часов). Затем берем кусок бархатной ткани, стерилизуем в автоклаве и аккуратно прижимаем к чашке Петри. Поверхность бархата собирает немного каждой колонии. Далее прижимаем бархат ко второй чашке Петри (рис. 17.7) . Это второе блюдо имеет только минимальную среду — это , а не с добавлением пролина. Все перенесенные клетки образуют колонии, поэтому вторая чашка представляет собой «реплику» с идентичным рисунком колоний.
Использование радиоактивно меченых субстратов
Большое количество радиоизотопов, таких как 14 C, можно получить путем бомбардировки мишени нейтронами. 14 C ведет себя как обычный углерод ( 12 C), с точки зрения его химического состава, за исключением того, что радиоизотоп можно легко «отследить», потому что при его распаде выделяется небольшая вспышка энергии. Это изобретение позволило биохимикам изучить метаболические пути, через которые проходят очень небольшие потоки (что означает наличие очень небольшого количества промежуточных продуктов).
Если вы синтезируете соединение – например. метионин – из 14 С, затем соединение и любые продукты, полученные из атомов углерода в нем , будут радиоактивными. В результате их можно легко обнаружить с помощью таких методов, как сцинтилляционный подсчет или авторадиография.
Более того, это будет работать, даже если метионин в клетке окружен тысячами других (нерадиоактивных) соединений. Внезапно стало возможным отслеживать биохимические продукты.
Вопросы для самооценки
1.
2.
Лицензия
Поделиться этой книгой
Поделиться в Твиттере
Введение в обмен веществ и биоэнергетику
Клеточные и молекулярные изменения, обеспечивающие организм энергией
Посмотреть расшифровку
4
Биологические процессы, связанные с жизнью, осуществляются набором химических реакций, происходящих внутри клеток. Сумма этих реакций составляет клеточный метаболизм, и они организованы в метаболические пути. Два основных типа путей, а именно катаболические и анаболические пути, взаимопревращают большие биомолекулы, такие как жиры, углеводы и белки, и их более мелкие составные части, такие как липиды, сахара и аминокислоты. Катаболические пути расщепляют большие биомолекулы, высвобождая при этом клеточную энергию, в то время как небольшие биомолекулы обеспечивают ключевые химические строительные блоки для анаболических путей, которые используют клеточную энергию, поскольку они синтезируют большие молекулы, составляющие клетку.
51
Катаболические и анаболические пути приводят к противоположным эффектам, а именно к распаду или синтезу больших биомолекул, поэтому эти типы клеточных реакций тщательно координируются, обеспечивая правильное функционирование клеток без потери клеточной энергии. Все биохимические реакции связаны с изменением энергии в результате разрыва и последующего образования химических связей. Биоэнергетика изучает превращения энергии, происходящие в результате метаболических процессов, и в течение этой недели курса мы подробно рассмотрим некоторые из этих процессов. Энергия, высвобождаемая во время метаболических путей, используется для «работы» внутри клеток, что может быть связано с гомеостазом, движением молекул или клеток и созданием градиентов молекул.
98
Большая часть энергии в клетках связана с органическими молекулами, но при изучении биоэнергетики биохимики обычно сосредотачиваются на доле энергии, которая становится «свободной» для выполнения работы. В целом, катаболические пути высвобождают энергию и описываются как экзергонические, тогда как анаболические пути потребляют энергию и описываются как эндергонические. За миллионы лет эволюции клетки выработали эффективные способы временного хранения энергии в виде высокоэнергетических ковалентных связей, содержащихся в активированных молекулах-носителях. При рассмотрении различных метаболических путей, происходящих в клетках, становится ясно, что они взаимосвязаны. Во время метаболизма энергетически благоприятные реакции могут быть связаны с энергией, требующей производства активированной молекулы-носителя, гарантируя, что высвободившаяся свободная энергия может быть захвачена в полезной форме.
146
Из ваших предыдущих исследований вы, возможно, уже знакомы с самой распространенной и универсальной молекулой активированного носителя во всех клетках, которая называется аденозинтрифосфат или АТФ. Эта молекула широко известна как почти универсальная энергетическая валюта в клетках, обеспечивающая немедленный доступ к энергии для огромного разнообразия клеточных процессов. Теперь мы обратим наше внимание на некоторые из ключевых биологических процессов, которые производят АТФ, потому что, в конечном счете, они генерируют энергию, которая поддерживает клеточную жизнь. Мы могли бы рассмотреть метаболические пути, связанные с любой из больших биомолекул, таких как липиды, нуклеиновые кислоты или белки, и при этом мы могли бы рассмотреть связи между ними.
197
Чтобы сделать наше обсуждение относительно простым, здесь мы сосредоточимся на метаболизме сахаров, которые являются особыми типами углеводов. Сахара расщепляются в процессе гликолиза в цитоплазме — серии из десяти биохимических реакций, катализируемых ферментами, которые превращают глюкозу в две молекулы пирувата и некоторые дополнительные соединения, такие как НАДН, еще один активированный носитель. Часть энергии, высвобождаемой при гликолизе, связана с синтезом молекул АТФ из АДФ и неорганического фосфата посредством процесса, известного как фосфорилирование на уровне субстрата.
234
Пируват, образующийся в результате гликолиза, превращается в ацетил-КоА, который затем поступает в серию из восьми катализируемых ферментами стадий, известных как цикл лимонной кислоты или цикл Кребса, в митохондриальном матриксе. Этот циклический путь генерирует различные активированные молекулы-носители, такие как НАД, ФАД и АТФ. НАД и ФАД отдают электроны высокой энергии цепи белков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Эта цепь переноса электронов заканчивается тем, что электроны передаются молекулярному кислороду, который восстанавливается с образованием воды. Энергия, выделяющаяся в результате прохождения электронов по дыхательной цепи, используется для транспорта протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, что создает электрохимический градиент протонов через мембрану.
284
Протоны возвращаются в митохондриальный матрикс через белки внутренних каналов, связанные с ферментом АТФ-синтазой. Этот процесс, известный как хемиосмос, высвобождает энергию, которая может быть использована ферментом АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ. Используя аналогичный набор биохимических реакций, растения используют хемиосмос для выработки АТФ в светозависимых реакциях фотосинтеза. Солнечная энергия улавливается хлорофилловыми пигментами фотосистем в хлоропластах растений, индуцирующих процессы переноса электронов, которые создают электрохимический градиент протонов через тилакоидную мембрану.
325
До сих пор мы исследовали только часть метаболизма углеводов, но важно помнить, что клетки метаболизируют различные типы соединений, таких как белки, нуклеиновые кислоты и жирные кислоты, иногда для выработки энергии, а иногда производить другие молекулы. Например, жирные кислоты катаболизируются в митохондриях в результате повторяющейся четырехступенчатой последовательности катализируемых ферментами реакций, называемых окислением. При каждом прохождении этого пути образуется молекула ФАД, НАД и ацетил-КоА, которые могут поступать в цикл лимонной кислоты или цикл Кребса и в цепь переноса электронов, как указано выше.
371
Метаболизм азотсодержащих соединений также важен, поскольку азот является ключевым компонентом аминокислот белков и нуклеотидов, столь важных для синтеза ДНК и РНК. Процесс, который мы суммировали от гликолиза до конца цепи переноса электронов, обычно называют клеточным дыханием. Важно отметить, что некоторые клетки могут использовать молекулы, отличные от кислорода, в качестве конечного акцептора электронов, что позволяет им получать энергию из разных сред. Например, некоторые микробы генерируют метаболическую энергию, используя нитраты в качестве конечного акцептора электронов в электронтранспортных цепях. Этот путь приобретает все большее значение для биохимиков, поскольку некоторые промежуточные продукты процесса являются значительными парниковыми газами.
419
Понимание биоэнергетики также важно для повышения осведомленности о некоторых заболеваниях человека, вызванных нарушениями митохондриальных процессов, включая некоторые формы рака и сердечно-сосудистых заболеваний. На этой неделе мы будем исследовать дальше, процесс фотосинтеза вдохновляет на решения растущего спроса на устойчивую энергию в виде нового биотоплива и передовых продуктов биотехнологии, которые могут преобразовывать солнечную энергию в полезную форму.
Метаболизм занимает центральное место во всей клеточной жизни. Видео описывает клеточные и молекулярные изменения, которые доставляют энергию организмам разными путями. Он выделяет два наиболее фундаментальных процесса: фотосинтез и клеточное дыхание.
Видео, посвященное дыханию, описывает, как электроны проходят по дыхательной цепи от одного белка к другому и создают протонный градиент через митохондриальную мембрану. Когда протоны возвращаются в митохондриальный матрикс в процессе, известном как хемиосмос, молекулярная машина, известная как АТФ-синтаза, генерирует АТФ. Профессор сэр Джон Уокер был одним из исследователей, открывших структуру АТФ-синтазы, и получил Нобелевскую премию по химии за это исследование в 1919 году. 97. Благодаря дальнейшим исследованиям было получено детальное понимание структуры и функции АТФ-синтазы – пример этого можно увидеть в нашей Галерее молекул.
Исследовательская группа профессора Уокера также подготовила несколько красивых анимаций, иллюстрирующих, как АТФ-синтаза функционирует на молекулярном уровне. Они иллюстрируют функцию и сборку митохондриальной АТФ-синтазы.
(Чтобы увидеть каждую анимацию в лучшем виде, нужно нажать на кнопку «воспроизведение» и затем сделать видео полноэкранным, либо нажать на его ссылку в Youtube.)
Скриншот молекулярной анимации АТФ-синтазы, подготовленный Отделом митохондриальной биологии MRC.
Технические термины в упрощенной форме
Эндергонические
Эндергонические реакции – это реакции, при которых энергия поглощается из окружающей среды. Проще говоря, для начала реакции требуется больше энергии, чем получается из нее, поэтому общее изменение энергии является отрицательным чистым результатом.
Экзергонические
Экзергонические реакции – это реакции, при которых в окружающую среду высвобождается положительный поток энергии. Проще говоря, из реакции получается больше энергии, чем требуется для ее запуска, поэтому общее изменение энергии является положительным чистым результатом.
Дыхание
Клеточное дыхание относится к набору метаболических реакций, происходящих в клетках организмов для преобразования биохимической энергии питательных веществ в клеточную энергию с выделением продуктов жизнедеятельности. Питательные вещества, которые обычно используются в дыхании, включают сахара, аминокислоты и жирные кислоты. Наиболее распространенным окислителем, используемым в качестве акцептора электронов при дыхании, является молекулярный кислород (O 2 ), хотя некоторые организмы могут использовать другие химические вещества в качестве конечного акцептора электронов.
Эта статья из бесплатного онлайн-ресурса
Биохимия: молекулы жизни
Создано
Присоединяйся сейчас
Достигните своих личных и профессиональных целей
Разблокируйте доступ к сотням экспертных онлайн-курсов и степеней от ведущих университетов и преподавателей, чтобы получить аккредитованные квалификации и профессиональные сертификаты для составления резюме.