Обмен веществ

 

Обмен веществ - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами  и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. В обмене веществ выделяют 3 этапа: 1 - поступление веществ в организм, 2- промежуточный обмен или метаболизм; 3 - выделение конечных продуктов.

Поступление веществ в  организм происходит в результате дыхания (кислород), питания и пищеварения. Поступающие в пищей белки, жиры,  углеводы под действием ферментов пищеварительного тракта распадаются на более простые составные части (аминокислоты, жирные кислоты и моносахариды), которые легко всасываются в кровь.  

Соединения, поступающие  с пищей, называются субстратами метаболизма

Метаболизм - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами  и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Метаболизм состоит из 2-х фаз: катаболизма и анаболизма.

Процесс распада сложных  веществ на более простые называется катаболизмом. В процессе катаболизма сложные органические молекулы распадаются до углекислого газа, воды и мочевины. Реакции катаболизма являются экзергоническими, т.е. протекают с высвобождением энергии. Обратный процесс, т. е.  синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом. Он идет с затратой энергии, представляет собой эндергонические реакции.

Существует понятие амфиболизм, когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое.

Метаболический  цикл - это метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс.

Метаболический  путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образовавшиеся в процессе метаболизма называются метаболитами, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Интенсивность метаболизма  определяется потребностью клетки в  тех или иных веществах или  энергии,  регуляция осуществляется четырьмя путями:

1) Суммарная скорость реакций  определенного метаболического  пути определяется концентрацией  каждого из ферментов этого  пути, значением рН среды, внутриклеточной  концентрацией каждого из промежуточных  продуктов, концентрацией кофакторов и коферментов.

2) Активностью регуляторных (аллостерических) ферментов, которые обычно катализируют начальные этапы метаболических путей.

3) Генетический контроль, определяющий скорость синтеза того или иного фермента.

4) Гормональная регуляция. Ряд гормонов способны активировать или ингибировать многие ферменты метаболических путей.

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.

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.

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной  цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг  Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена цикла АТР - АДФ.

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ  АТФ:

1. Синтез различных веществ.

2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na⁺,К⁺-АТФазу.

3. Механическое движение (мышечная работа).

Если процесс катаболизма  рассматривать с общей точки  зрения, то можно выделить три основные его части:

 

 

Рис. 1. Катаболизм основных пищевых  веществ

Начальные этапы катаболизма или специфические  пути катаболизма основных пищевых веществ  происходят при участии ферментов, специфичных для каждого класса веществ. Из большого числа исходных соединений образуется всего два - пируват и ацетил - СоА. Причем ацетил - СоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования.

Процесс, начинающийся от пирувата, завершает расщепление пищевых веществ до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О и называется общим путем катаболизма. Он включает:

· окислительное декарбоксилирование пирувата

· цитратный цикл.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса  субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью  и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТР. Реакции ОПК происходят в матриксе митохондрий.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Суммарный результат многостадийной реакции выглядит следующим образом:

 

Рис. 2.

Реакция катализируется тремя  ферментами, работающими в определенной последовательности и объединенными  в пируватдегидрогеназный комплекс:

 

Рис. 3

Пируватдегидрогеназный комплекс

Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.

Этот комплекс ферментов  работает подобно конвейеру, в котором  продукт передается от фермента к  ферменту. Такой принцип повышает эффективность работы ферментов, так  как снижает случайность в  контакте реагирующих веществ с  ферментом. Далее приводятся названия ферментов и характеристика катализируемых реакций.

Пируватдекарбоксилаза (1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминдифосфат - производное витамина В₁. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО₂, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте - коферменту второго фермента. Получается ацетил-липоат.

Дигидролипоат-ацетилтрансфераза(2) - второй фермент комплекса. Катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS-СоА с образованием ацетил-СоА. Таким образом, в этой реакции участвуют два кофермента: липоевая кислота, прочно соединенная с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Водород остается связанным с липоевой кислотой, которая превращается в дигидролипоат.

Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (3) отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD⁺. Далее водород транспортируется дыхательной цепью

 

 

Рис.4. Строение HS-CoA

 

 

Главные продукты реакции - это NADH+H⁺ и ацетил-СоА. NADH+H⁺ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил-СоА окисляется в цитратном цикле.

 

Ацетил-КоА может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, кетоновых тел.  Самая большая часть этого вещества используется при синтезе лимонной кислоты в реакциях цикла трикарбоновых кислот.

Цитратный цикл.

Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) - это  система реакций, приводящая к полному  окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента, имеющего различное происхождение (рис. 5,6 ). Цикл назван в честь Ханса Кребса, который описал многие из этих реакций и в 1953 году получил Нобелевскую премию.

Цитратный цикл является общим  конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

полное окисление ацетильного  остатка до двух молекул СО₂;

образование трех молекул  восстановленного NAD⁺ и одной молекулы FADH₂;

образование одной молекулы GTP в результате субстратного фосфорилирования.

Рис.6 Ферменты цитратного цикла. 1- пируватдегидрогеназный комплекс, 2- цитратсинтаза, 3- аконитаза, 4- изоцитратдегидрогеназа, 5- a -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, 6- сукцинил-КоА-синтетаза, 7 - сукцинатдегидрогеназа, 8- фумараза, 9- малатдегидрогеназа

Цитратсинтаза. 
Первая реакция цикла - это конденсирование ацетилКоА и оксалоацетата. При этом продуктом реакции является цитрат.

Аконитаза. 
Изомеризация цитрата в изоцитрат посредством аконитазы - стереоспецифична, с миграцией ОН-группы от центрального углеродного атома на соседний. Аконитза - один из нескольких митохондриальных ферментов, которые в своём составе содержат негемовое железо.

Изоцитратдегидрогеназа (ИДГ).

Изоцитрат окислительно декарбоксилируется до a-кетоглутарата посредством фермента ИДГ. Известно два различных фермента ИДГ. ИДГ, который используется в цикле Кребса, как кофактор использует НАД+, в то время как другая ИДГ использует НАДФ+ как кофактор. Первый фермент обнаружен только в митохондриях, а второй - как в митохондрии, так и в цитоплазме. СО₂, который образуется в этой реакции, идёт на синтез цитрата.

a-кетоглутаратДГ. 
a-кетоглутарат декарбоксилируется до сукцинилКоА с помощью альфа-кетоглутаратДГ. В ходе этой реакции образуется второй моль СО₂. Эта реакция - единственная необратимая реакция из десяти, составляющих ЦТК. Сукцинил-КоА - представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь.

СукцинилКоАсинтетаза (сукцинилтиокиназа)

Катализирует реакцию  превращения сукцинилКоА в сукцинат. При этом из ГДФ образуется ГТФ, процесс такой известен как субстратное фосфорилирование.

СукцинатДГ. 
СукцинатДГ катализирует реакцию окисление сукцината в фумарат с последующим восстановлением ФАД.

Фумараза. 
Под действием этого фермента образуется L-малат.

МалатДГ. 
L-малат - специфический субстрат для МДГ, последнего фермента цикла Кребса. При этом происходит окисление малат в оксалоацетат  с последующим восстановлением НАД+.

Итоговое уравнение

Биологическое значение ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК - ОБРАЗОВАНИЕ  БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК - главный источник  АТФ. Энергию для образования  большого количества АТФ дает  полный распад Ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О.

2. ЦТК - это универсальный  терминальный этап катаболизма  веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную  роль в процессах анаболизма (промежуточные  продукты ЦТК):

- из цитрата -------> синтез  жирных кислот

- из aльфа-кетоглутарата и ЩУК ---------> синтез аминокислот

- из ЩУК ----------> синтез  углеводов

- из сукцинил-КоА -----------> синтез гема гемоглобина

Сопряжение общих  путей катаболизма с дыхательной  цепью

В общих путях катаболизма  происходит пять реакций дегидрирования: одна на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата и четыре в цитратном цикле. Все 10 атомов водорода переносятся на коферменты дегидрогеназ, которые в свою очередь окисляются в дыхательной цепи. Окисленные коферменты возвращаются в реакции общих путей катаболизма. Регенерация коферментов - это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования. Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь непрерывно связаны между собой и отдельно функционировать не могут.

Более важно, с точки зрения образования АТР, что большая  часть энергии, высвобождаемой при  окислительных реакциях в цикле Кребса, «запасается» в электронах, переносимых NADH и FADH₂. Электроны, временно «удерживаемые» этими двумя соединениями, быстро переносятся в дыхательную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрий.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ 

Окисление органических веществ  в организме кислородом с образованием воды и СО₂ называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает а)отнятие водорода от субстрата (дегидрирование) т б)многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Тканевое дыхание и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Процесс окисления можно представить следующим уравнением: SH₂ + 1/2 O₂ à S + H₂O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом. Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP (рис.7).