Метаболизм. Взаимосвязь различных путей обмена веществ. Метаболизм совокупность химических превращений, катализируемых ферментами

• Название: Метаболизм. Взаимосвязь различных путей обмена веществ. Метаболизм совокупность химических превращений, катализируемых ферментами
• Анкор: Obschaya_biokhimia_Vzaimosvyaz_Energ_obmen.ppt
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.73 Mb.
• Имя файла: Obschaya_biokhimia_Vzaimosvyaz_Energ_obmen.ppt
• Тип: Документы; #1904
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство

Метаболизм. Взаимосвязь различных путей обмена веществ.

Метаболизм – совокупность химических превращений, катализируемых ферментами.

Реакции внешнего обмена (внеклеточный компартмент).

Реакции промежуточного обмена (внутриклеточный компартмент).

Две стороны обмена: Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен); Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен). Взаимосвязаны анаплеротическими (пополняющими) реакциями, когда метаболиты одного пути служат субстратами для другого: глю  ПВК + СО2  ОА ЦТК и амфиболическими, объединяющими пути синтеза и распада (ПФП, ЦТК).

Основные характеристики метаболизма клеток млекопитающих

Гетеротрофы

Аэробы (факультативные или облигатные). Акцептором электронов являются органические вещества и (или) в конечном итоге – О2.

Источник углерода – глюкоза, источник азота – аминокислоты.

Функции метаболизма

Аккумулирование энергии в макроэргических связях АТФ.

Использование энергии АТФ для биосинтеза de novo молекул (химическая работа), а также осмотической, электрической, механической работы.

Распад и синтез обновляемых структурных компонентов клеток.

Синтез и распад молекул «специального» назначения (гормонов, медиаторов, кофакторов).

Все механизмы регуляции направлены на поддержание гомеостаза и адаптацию к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды

Способы регуляции скорости ферментативных реакций:

Изменение каталитической активности ферментов (аллостерическая или ковалентная модификация ключевых ферментов метаболизма)

Изменение количества ферментных молекул (конститутивные и адаптивные ферменты)

Компартментализация метаболических процессов.

Взаимосвязь обменов:

Углеводы – липиды:

«Лишние» углеводы обеспечивают синтез липидов (образование глицерол-3- фосфата, ацетил-КоА, НАДФН)

глицерин – субстрат для глюконеогенеза.

«жиры сгорают в пламени углеводов»: основным источником оксалоацетата является пируват.

Взаимосвязь обменов:

Белки – липиды:

Запас нейтральных липидов предотвращает использование белков на энергетические нужды.

Аминокислоты  ацетил-КоА биосинтез жирных кислот

Глицерин  ГАФ  ПВК  Аминокислоты

Серин, метионин - участвуют в биосинтезе фосфолипидов

Глицин. таурин – участвуют в синтезе желчных кислот (переваривание липидов).

Взаимосвязь обменов

Белки – углеводы:

Гликогенные аминокислоты (кроме лиз и лей)

Основной путь синтеза заменимых аминокислот – реакции переаминирования или восстановительного аминирования кетокислот (т.е. источник углерода для биосинтеза – глюкоза!)

ПФП превращения глюкозы – источник рибозы и НАДФН для биосинтеза нуклеотидов, а значит нуклеиновых кислот и белков.

ЦТК  сукцинил-КоА  биосинтез порфиринов для гемо- миоглобина, цитохромов, каталазы) .

Роль нуклеотидов в обмене веществ

Адениловые нуклеотиды обеспечивают энергетический потенциал клеток

УТФ участвует в обмене углеводов

ЦТФ участвует в биосинтезе фосфолипидов

ГТФ участвует в трансляции

АМФ является структурным компонентом НАД, ФАД, Ко-А

Циклические нуклеотиды – вторичные мессенджеры гормонов

ФАФS и УДФ-глюкуронат образуют парные соединения , обезвреживая токсины

Этапы энергетического обмена

1. Крупные «пищевые» молекулы гидролизуются до мономеров: аминокислот, жирных кислот, моносахаров.

2. Специфические дегидрогеназы окисляют эти вещества до пирувата, ацетил-КоА, кетоглутарата, сукцината, оксалоацетата.

3. Эти универсальные «субстраты дыхания» окисляются до СО2 в ЦТК.

4. НАДН и ФАДН2 поставляют протоны и электроны во внутреннюю мембрану МХ, восстанавливают кислород до Н2О и создают условия для фосфорилирования АДФ до АТФ.

Унификация клеточного «топлива»

В процессе основных путей катаболизма - гликолиза, окислительного дезаминирования,  – окисления, ЦТК образуется ограниченное количество универсальных «топливных» молекул: ацетил-КоА, метаболитов ЦТК.

Основные этапы адаптации организма к голоданию

Суточная потребность в энергетических ресурсах в зависимости от физической нагрузки составляет 1600 – 6000 ккал.

Метаболические запасы составляют: 40 ккал – глюкоза; 1600 ккал – гликоген; 135 000 ккал – нейтральный жир; 24 000 ккал – белок.

Адаптация к голоданию

Голодание (равно как любой стресс или диабет) приводит к повышению

уровня катехоламинов, глюкагона, глюкокортикоидов, тиреоидов при одновременном снижении инсулина.

Этот гормональный статус обеспечивает поддержание концентрации глюкозы в крови не < 2 -2,5 ммоль/л и сохранение азотистого баланса.

Метаболическая ситуация при этом характеризуется усилением глюконеогенеза в печени, липолиза в адипоцитах, протеолиза в мышцах.

1- ая фаза голодания (1сутки)

На начальном этапе уровень глюкозы крови (особенно важный для нейронов и эритроцитов) поддерживается запасами гликогена печени.

Далее предшественниками для глюконеогенеза становятся глицерин (продукт липолиза) и аминокислоты, как продукт протеолиза мышечных белков (глюкозо-аланиновый цикл).

Проблема сохранения мышечной массы и азотистого баланса!!!

2- ая фаза голодания (1 –ая неделя)

Гормональная ситуация приводит к адаптивному переключению энергетического обмена с преимущественно углеводного типа на липидный. Основными источниками энергии становятся жирные кислоты.

Концентрация СЖК в крови увеличивается в 3 -4 раза, кетоновых тел – в 10 – 15 раз.

Низкое содержание глюкозы (ПВК и ОА) приводит к накоплению ацетил-КоА и цитрата, торможению гликолиза (сохранение глюкозы!) и усилению кетогенеза!!!. Мозг и сердце на 1/3 удовлетворяют свои потребности в энергии за счет кетоновых тел.

3 – я фаза голодания (1 – 3 месяца)

Усиление кетогенеза предотвращает использование аминокислот (Но! метаболический ацидоз!).

Продолжительность голодания определяется запасом ТАГ. Затем следует утилизация аминокислот для глюконеогенеза.

Терминальная стадия голодания характеризуется отрицательным азотистым балансом (распадается > 20 г белка и выделяется 3 г мочевины в сутки). Атрофия тканей.

Биоэнергетика изучает процессы превращения энергии в живом организме.

Биологическое окисление (тканевое дыхание) – процессы, протекающие с участием кислорода ???

Главный вопрос биоэнергетики: как энергия окисления органических веществ трансформируется в энергию связей АТФ?

История учения о биоокислении

18 век, А.Лавуазье: « Дыхание – медленное горение»

1920 - е г., А.Н.Бах. Перекисная теория активации кислорода. Открытие оксигеназ и пероксидаз.

1930 - е г., О.Варбург, Д.Кейлин. Открытие цитохромов (гемсодержащих ферментов), взаимодействующих с кислородом.

В.И.Палладин : «окисление – м.б. отнятие водорода!» Открытие флавинсодержащих ферментов.

Г.Вилланд, О.Варбург. В. Христиан. Открытие никотинсодержащих дегидрогеназ.

История учения о биоокислении

Биологическое окисление – отнятие водорода от субстратов и передача его через серию посредников на кислород с образованием воды.

90% О2 утилизируется МХ цепью ферментов (фосфорилирующее окисление)

10% О2 – микросомальное окисление (нефосфорилирующее), О2 внедряется в окисляемую молекулу.

Аккумулирование энергии в клетке:

НАДН, ФАДН2, НАДФН

АТФ (реже другие нуклеозидтрифосфаты)

Внутренняя мембрана митохондрий, функционирующая как конденсатор, где разделяются заряженные атомы и молекулы.

НАДН, НАДФН, ФАДН2

Восстановленные эквиваленты образуются при окислении органических субстратов; НАДН и ФАДН2 реокисляются в дыхательной цепи МХ, НАДФН использует восстановительный потенциал в реакциях биосинтеза, обезвреживания, антиперекисной защиты.

Подавляющее большинство восстановленных эквивалентов образуется в матриксе МХ (окисление ПВК, аминокислот, жирных кислот, ЦТК).

Доставка цитоплазматических восстановленных эквивалентов требует специального транспорта (челночные механизмы), т.к. пулы цитоплазматические и митохондриальные разделены!

Роль НАДФН в метаболизме

1. Восстановительные синтезы аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, холестерола, стероидов, желчных кислот.

2. Десатурация жирных кислот

3.Кофактор Met – Hb редуктазы

4. Кофактор глутатион-редуктазы

5. Участие в микросомальном окислении

Челночные механизмы транспорта

Восстановленные эквиваленты, образующиеся в цитозоле, например при окислении глицеральдегид- 3 фосфата попадают в МХ компартмент непрямым путем: с помощью НАДН в цитозоле образуются вещества проникающие в МХ.

Наиболее активна малат-аспартатная челночная система (печень, почки, миокард).

В скелетных мышцах и мозге – глицерофосфатный челнок. При этом глицерофосфат окисляется в МХ с помощью ФАД.

Почему именно адениловые нуклеотиды составляют энергетический потенциал клеток?

Адениловые нуклеотиды более устойчивы к химическим и физическим факторам среды (УФ), обладают наибольшей скоростью обмена концевых остатков фосфорной кислоты.

При калорийности суточного рациона 2- 3 тыс. ккал и 50% КПД, этой энергии достаточно для образования 120 молей АТФ (М.м. 540 г).; таким образом ежесуточно в организме синтезируется и распадается около 50 -60 кг АТФ.

Содержание свободных адениловых нуклеотидов в организме не более 3 - 4 г, т.е. происходит постоянное фосфорилирование и гидролиз.

Запаса АТФ практически нет, его хватает на секунды активной мышечной работы.

Интенсивность распада АТФ стимулирует скорость его синтеза.

АТФ – не форма депонирования химической энергии, только временное ее аккумулирование.

Содержание адениловых нуклеотидов к клетке

АДФ + Ф [АТФ]АДФ + Фн (АМФ +ФФ)

Синтез АТФ: субстратное или окислительное фосфорилирование.

Оба механизма – по сути окислительные.

Субстратное сопряжено с реакциями гликолиза или ЦТК и образованием промежуточных макроэргов: дифосфоглицерата, фосфоэнолпирувата, сукцинил-КоА.

Окислительное сопряжено с дыханием и работой внутренней мембраны МХ, промежуточных посредников нет.

Гипотезы сопряжения окисления и фосфорилирования

Липман, 1946г., Слэйтер, 1953г.

Гипотеза химического сопряжения

Перенос ē сопряжен с адениловой системой через образование промежуточных макроэргических соединений (подобно субстратному фосфорилированию)

Гипотеза химического сопряжения

АН2 + В + Х  А + ВН2 ∞Х

ВН2 ∞ Х + V  ВН2 + Х∞ V

Х ∞ V + Рн  Х + V∞ РH

V ∞ Рн + АДФ  АТФ + V

Х м.б. О2, Na, Ca; V м.б. P,C

Однако, в МХ не обнаружено никаких макроэргов кроме адениловых нуклеотидов.

Гипотеза конформационного сопряжения

Бойер, 1964: Ленинджер, 1966; Грин, 1970г.

Транспорт ē по внутренней мембране МХ вызывает ее конформационные изменения, она приобретает «напряженную» структуру (энергизованная мембрана). «Релаксация» мембраны передает энергию конформационного напряжения АТФ-синтетазе, встроенной в эту мембрану.

Электронно-микроскопические исследования подтверждают «уплотнения» крист МХ при добавлении субстратов дыхания, АДФ и Рн .

Старение МХ, действие детергентов, снижение скорости дыхания вызывает «набухание» МХ.

Хемиоосмотическая гипотеза

Митчелл,1961

Перенос ē вдоль внутренней мембраны сопровождается выкачиванием Н+ из матрикса МХ в наружную среду. Энергия этого трансмембранного протонного градиента используется на синтез АТФ.

Доказательства хемиоосмотической гипотезы

1. В МХ нет высокоэнергетических посредников. связывающих перенос ē с биосинтезом АТФ.

2. Для окислительного фосфорилирования необходима пространственная замкнутость внутренней мембраны МХ.

3.Большое значение имеет разница в ионной силе и концентрации ионов с наружной и внутренней стороны мембраны.

4.Заряд внутренней мембраны имеет электрохимическую и концентрационную (осмотическую) составляющую.

5. Окислительное фосфорилирование предотвращается «разобщителями»

ФАДН2 и КоQ - 2ē и 2 Н+ (2 атома водорода);

цитохромы и Fe – S центры – только ē.

Структура дыхательной цепи МХ

I комплекс: НАДН –КоQ дегидрогеназа: кофакторы FMN и Fe-S белки

II комплекс: FADH2 – КоQ дегидрогеназа:

III комплекс: КоQ – цитохром С дегидрогеназа: (через цитохромы в и с1.и Fe – S)

IV - комплекс: цитохром аа3 – оксидаза (через Cu2+ )

Никотинамидные дегидрогеназы

Более сотни субстратов окисляются через НАД. Основное количество НАДН образуется при окислении изоцитрата, малата, гидроксиацил-КоА, гидроксибутирата, глутамата.

НАД-ДГ слабо связаны с апоферментом

SН2 + НАД+  S + НАДН + Н+

Фиксирует в никотинамиде гидрид-ион

НАДФН поставляет протоны и ē в дыхательную цепь также через НАДН:

НАДФН + НАД+  НАДФ+ + НАДН

Флавинзависимые дегидрогеназы

Коферментную функцию выполняют ФМН или ФАД (производные рибофлавина)

Прочно связаны с белковой частью ферментов.

SH2 + FAD+  S + FADH2

Фиксируют в изоаллоксазиновом центре 2 Н+ и 2 ē.

ФАДН2 образуется при окислении глицеролфосфата, сукцината, жирных кислот.

Убихинон (КоQ)

Повсеместно распространенное производное бензохинона.

Гидрофобное, низкомолекулярное вещество, не связанное с белком (кофермент), способное мигрировать в пределах мембраны.

Принимает восстановленные эквиваленты от флавопротеинов I и II комплексов и передает на цитохромы в дыхательной цепи, превращаясь в гидрохинон.

Цитохромы

Гемсодержащие белки (15-45 кДа), простетические группы - гем b или a, отличающиеся строением боковых радикалов порфириновой группировки.

Цитохромы аa3 содержат еще атомы Cu+(2+) .

Функциональноактивный центр цитохромов железо гема с переменной валентностью ( в отличие от железа Hb).

Функция цитохромов в дыхательной цепи -перенос ē (КоQH2  цит.b  цит.с1  цит. c  цит. aa3  O2.).

Железосерные белки

Низкомолекулярные белки, содержащие негемовое железо и неорганическую серу (2Fe -2S; 4Fe- 4S). Атом железа связан с атомом серы и группами белковой части.

Как и цитохромы осуществляют одноэлектронный транспорт. Входят в состав разных комплексов вместе с флавопротеинами и цитохромами.

Создание градиента ионов на внутренней мембране МХ

Перенос ē по дыхательной цепи сопровождается закислением наружной среды (рН=7) и защелачиванием матрикса (рН=8). т.е. ē – движущая сила выкачивает протоны в межмембранное пространство.

Прохождение пары ē на уровне I комплекса в матрикс попадает 2 пары Н+, III комплекса – 1 пара и IV – 2 пары.

Таким образом создается электрохимический Н+ градиент, имеющий электрический и осмотический компонент.

ΔµH = Δψ + ΔpH

Дыхательная цепь ферментов

Полная цепь системы МХ окисления:

SH2 (изоцитрат, малат, гидроксиацилКоА, гидроксибутират, глутамат)  никотинамидные ДГ комплексI,III, IV  O2 .

Укороченная цепь: (без комплекса I)

SH2(сукцинат, ацилКоА, глицеролфосфат)  КоQ комплекс III, IV  O2

Удлиненная цепь окисления:

SH2 (пируват, кетоглутарат)  комплексы I,III,IV  O2. (окислительно-декарбоксилирующие комплексы кетокислот примыкают к внутренней мембране МХ).

Транслоказы

Кроме оксидоредуктаз дыхательной цепи во внутреннюю мембрану МХ встроена система переноса «клеточного топлива»: кетокислот, аминокислот. дикарбоновых кислот, жирных кислот (транслоказы).

Адениннуклеотидтранслоказа, фосфаттранслоказа.

АТФ – синтаза.

Строение АТФ – синтазы

Н+ - АТФ –синтаза (АТФ-АЗА)

V – комплекс дыхательной цепи

Сложный белковый комплекс (500 кДа) из Fo и F1 субъединиц.

Фактор сопряжения дыхания (протонного градиента) и фосфорилирования.

Fo – трансмембранный канал для протонов во внутренней мембране МХ.

F1 - каталитическая субъединица, состоящая из трех гетеродимеров (исвязывающие АДФ и Фн, образование АТФ с выделением Н2О и освобождением АТФ.

Активация АТФ-азы происходит за счет ротации комплекса вызванного потоком протонов из внешней среды в матрикс.

При накоплении АТФ в матриксе АТФ – аза начинает гидролизовать АТФ и работать как протонная помпа, градиент протонов не уменьшается, а нарастает.

Протонный градиент и пункты фосфорилирования

Атомы водорода от окисляемых субстратов отдают ē в дыхательную цепь и превращаются в Н+ ,которые поступают в межмембранное пространство.

ē передаются по дыхательной цепи и оказываются на все более низких энергетических уровнях, пока не достигнут О2

В дыхательной цепи трижды происходит значительное снижение стандартной свободной энергии, достаточное для обеспечения синтеза АТФ. (три пункта фосфорилирования: на уровне I, III и IV комплексов).

Соотношение дыхания и фосфорилирования

4ē + 4Н+ + О2  2Н2О

АДФ +Фн  АТФ

Эффективность фосфорилирования Р/О (количество Фн включенного в состав АТФ на каждый атом О).

Теоретически для НАДН – коэффициент =3; для ФАДН2 = 2; для aa3 = 1.

Практически, этот коэффициент ниже, не все протоны проходят через протонные каналы АТФ-синтетазы, энергия Δ µН+ частично используется на другие нужды и Р/О = 2,5; 1,5 для I и II комплексов. соответственно.

Каковы взаимоотношения дыхания и фосфорилирования?

Дыхательный контроль

ДК (дыхательный контроль) отражает зависимость интенсивности дыхания от концентрации АДФ.

Измеряется полярографически по поглощению О2 и отношению фосфорилирующего дыхания к нефосфорилирующему (т.е. в присутствии или отсутствии АДФ).

Дыхательный контроль ведет к соответствию скорости синтеза АТФ потребностям клетки в данный момент: чем больше расход АТФ, тем быстрее поток ē к О2 (дыхание!) и интенсивнее окисление субстратов и поглощение О2.

Энергетический заряд клеток

АТФ: АДФ:АМФ

Энергетический заряд изменяется от 1 (если все адениловые нуклеотиды максимально фосфорилированы и находятся в виде АТФ) ; до 0 (если все

нуклеотиды находятся в виде АМФ.

Ингибиторы дыхания

На различных участках цепи передача ē блокируется специфическими веществами: барбитуратами, некоторыми гликозидами, антибиотиками, цианидами.

На 90% дыхание подавляется ингибиторами передачи ē на уровне цитохромоксидазы дыхательными ядами: цианидами, СО,H2S, NH3.

Ингибирование фосфорилирования

Олигомицин блокирует Fo – субъединицу АТФ – синтетазы.

Электрохимический градиент при этом не снижается, но потока протонов в матрикс через протонный канал не происходит и АТФ –синтетаза не активна.

Разобщители дыхания и фосфорилирования

Липофильные вещества, способные переносить протоны (протонофоры) и катионы (ионофоры) через внутреннюю мембрану, минуя канал Fo:

градиент Н+ снижается;

содержание АДФ увеличивается, скорость окисления растет, поглощение О2 (дыхание) растет, но энергия рассеивается в виде тепла, коэффициент Р/О снижается.

2,4 – динитрофенол, валиномицин, грамицидин, дикумарол, билирубин, мочевая кислота, тироксин, длинноцепочечные жирные кислоты.

Разобщение окисления и фосфорилирования увеличивает теплопродукцию (специализированная ткань – бурый жир, где в МХ много белка термогенина, переносящего жирные кислоты в матрикс).

Митохондриальная цепь окисления – источник активных форм кислорода

4Н+ + 4ē + О2  2 Н2О

Неполное восстановление кислорода ведет к образованию АФК:

4Н+ + 3ē + О2  НО*

4Н+ + 2ē + О2  2 Н2О2

4Н+ +ē + О2  :О2-

Антиперекисная защита

Ферментативные механизмы:

2О2* + 2Н+  Н2О + О2 (СОД)

2Н2О2  2 Н2О + О2 (каталаза)

Н2О2 + 2 глутатион- SH  2Н2О + глу-S-S –глу (глутатионпероксидаза)

глу-S-S-глу + НАДФН  2 глу-SH + НАДФ+ (глутатиоредуктаза)

Антиоксиданты неферментативной природы: витамины Е, С, каротин, глутатион, мочевая кислота, билирубин.