ОсновыбиоэнергетикиДоц. Петушок Н. Э
 Скачать 2.45 Mb.
|
Основы биоэнергетики Доц. Петушок Н.Э. |
-
синтеза клеточных компонентов
-
генерации концентрационных и электрических
градиентов
-
движения
-
продукции тепла
-
и многих других процессов
Биоэнергетика занимается количественным исследованием преобразований энергии в живых системах, а также химическими процессами, лежащими в основе этих преобразований
Солнечная
энергия
Химическая
энергия
Растения используют солнечную энергию для синтеза органических
веществ
Животные получают энергию из готовых органических веществ
Чтобы получать энергию из пищи, животным нужен О
2
СО
2 нужен растениям для синтеза углеводов
Потоки веществ и энергии в биосфере
АВТОТРОФЫ
О
2
ГЕТЕРОТРОФЫ
СО
2
Н
2
О
Органические
соединения
растения, водоросли,
бактерии
животные, грибы, бактерии
энергия
Химическая
энергия
Растения используют солнечную энергию для синтеза органических
веществ
Животные получают энергию из готовых органических веществ
Чтобы получать энергию из пищи, животным нужен О
2
СО
2 нужен растениям для синтеза углеводов
Потоки веществ и энергии в биосфере
АВТОТРОФЫ
О
2
ГЕТЕРОТРОФЫ
СО
2
Н
2
О
Органические
соединения
растения, водоросли,
бактерии
животные, грибы, бактерии
Живые клетки- это открытые системы, обменивающиеся со своим окружением как веществами, таки энергией
Окружение
Обмен
энергией
Обмен
веществами
Система
Окружение
Обмен
энергией
Обмен
веществами
Система
Изменения энергии, происходящие в химической реакции, описываются следующими термодинамическими величинами Свободная энергия Гиббса (G)
– та часть энергии, которая может производить работу при постоянной температуре и давлении Энтальпия (H)
– внутренняя энергия или теплота, содержащаяся в системе .
• Энтропия (S)
– мера неупорядоченности системы
Часть энергии, которая не может быть преобразована в работу, называется связанной энергией)
– та часть энергии, которая может производить работу при постоянной температуре и давлении Энтальпия (H)
– внутренняя энергия или теплота, содержащаяся в системе .
• Энтропия (S)
– мера неупорядоченности системы
Часть энергии, которая не может быть преобразована в работу, называется связанной энергией)
Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии
при любом физическом или химическом изменении,
общее количество энергии во вселенной остается постоянным. Энергия может переходить из одной формы в другую или может перераспределяться, ноне может исчезнуть
Энергия
до
Энергия
после
Преобразования энергии в биологических системах подчиняются законам термодинамики
при любом физическом или химическом изменении,
общее количество энергии во вселенной остается постоянным. Энергия может переходить из одной формы в другую или может перераспределяться, ноне может исчезнуть
Энергия
до
Энергия
после
Преобразования энергии в биологических системах подчиняются законам термодинамики
Переходы энергии
Химическая энергия
Химическая энергия
Кинетическая энергия
Энергия света
Химическая энергия
Химическая энергия
Кинетическая энергия
Энергия света
Второй закон термодинамики гласит, что все процессы во вселенной стремятся к увеличению беспорядка в результате естественных процессов энтропия вселенной возрастает
• Если ΔG отрицательна (─ΔG), реакция будет протекать самопроизвольно с выделением энергии, и эта реакция называется
экзергонической реакцией Если ΔG положительна (+ΔG), реакция не будет протекать самопроизвольно и должна подпитываться энергией извне такая реакция называется
эндергонической реакцией
Макроэрги клетки
Макроэргические соединения содержат химическую связь, богатую энергией
(макроэргическую связь)
Макроэргическая связь – это связь, гидролиз которой сопровождается высвобождением свободной энергии (─ΔG) более 5 ккал / моль (21 кДж / моль)
Макроэргическая связь обозначается знаком “ (тильда)
ATФ
АТФ - универсальная энергетическая валюта, потому что только это соединение может немедленно отдать свою энергию, содержащуюся в
макроэргической связи, для выполнения любого типа работы в живой клетке
Энергия
экзергонических
реакций
Энергия для
эндергонических реакций
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений
В условиях, существующих в биологических системах (постоянные температура и давление, изменения свободной энергии, энтальпии и энтропии количественно связаны друг с другом уравнением :
∆G = ∆H – T∆S
∆G = ∆H – T∆S
• Если ΔG отрицательна (─ΔG), реакция будет протекать самопроизвольно с выделением энергии, и эта реакция называется
экзергонической реакцией Если ΔG положительна (+ΔG), реакция не будет протекать самопроизвольно и должна подпитываться энергией извне такая реакция называется
эндергонической реакцией
Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций
В биологических системах
эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии
экзергонических
В биологических системах
эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии
экзергонических
Живые системы часть энергии сохраняют в химической форме разность электрохимических потенциалов, макроэргические соединения)
Экзергонические
реакции:
катаболизм
тканевое дыхание
Эндергонические
реакции:
анаболизм
активный транспорт
Образование АТФ
–
эндергонический
процесс
Гидролиз АТФ
–
экзергонический
процесс
Экзергонические
реакции:
катаболизм
тканевое дыхание
Эндергонические
реакции:
анаболизм
активный транспорт
Образование АТФ
–
эндергонический
процесс
Гидролиз АТФ
–
экзергонический
процесс
Макроэрги клетки
Макроэргические соединения содержат химическую связь, богатую энергией
(макроэргическую связь)
Макроэргическая связь – это связь, гидролиз которой сопровождается высвобождением свободной энергии (─ΔG) более 5 ккал / моль (21 кДж / моль)
Макроэргическая связь обозначается знаком “ (тильда)
Есть два типа макроэргических соединений Фосфатсодержащие макроэргические соединения
креатинфосфат, 1,3-бисфосфоглицерат,
фосфоенолпируват, карбамоилфосфат, АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты
• Серосодержащие макроэргические
соединения(тиоэфиры):
ацетил-КоА, ацил-КоА,
сукцинил-КоА
креатинфосфат, 1,3-бисфосфоглицерат,
фосфоенолпируват, карбамоилфосфат, АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты
• Серосодержащие макроэргические
соединения(тиоэфиры):
ацетил-КоА, ацил-КоА,
сукцинил-КоА
ATФ
АТФ - универсальная энергетическая валюта, потому что только это соединение может немедленно отдать свою энергию, содержащуюся в
макроэргической связи, для выполнения любого типа работы в живой клетке
Энергия
экзергонических
реакций
Энергия для
эндергонических реакций
Ф
Пути синтеза и использования АТФ
ATФ
Мышечное сокращение
Non
Активация субстратов
Активный транспорт
Реакции синтеза
Секреция
Регуляция
Окислительное
фосфорилирование
(90%)
Субстратное
фосфорилирование
(10%)
Генерация нервных импульсов
Теплопродукция
ATФ
Мышечное сокращение
Non
Активация субстратов
Активный транспорт
Реакции синтеза
Секреция
Регуляция
Окислительное
фосфорилирование
(90%)
Субстратное
фосфорилирование
(10%)
Генерация нервных импульсов
Теплопродукция
Биологическое окисление
это клеточный процесс, в котором органические вещества входе окислительно-восстановительных реакций выделяют энергию (АТФ, и Окисление субстратов возможно путем присоединения кислорода
–
отщепления электронов /протонов
Эти процессы происходят с участием ферментов
это клеточный процесс, в котором органические вещества входе окислительно-восстановительных реакций выделяют энергию (АТФ, и Окисление субстратов возможно путем присоединения кислорода
–
отщепления электронов /протонов
Эти процессы происходят с участием ферментов
Тканевое дыхание представляет собой ряд реакций, которые происходят в клетках для преобразования химической энергии питательных веществ в АТФ с высвобождением конечных продуктов метаболизма конечным акцептором электронов в процессах тканевого дыхания является кислород заключительный этап происходит в митохондриях
Около
40%
энергии пищи
запасается в виде
ATФ, оставшиеся
60% выделяются в виде тепла
тепло
тепло
тепло
тепло
работа
биосинтез
Тканевое
дыхание
Переваривание и
всасывание
Органические молекулы пищи
Органические молекулы в клетках
Митохондрия
Основная функция - окисление метаболического топлива и сохранение свободной энергии за счет синтеза АТФ
Митохондрия
(структура)
Внутренняя мембрана непроницаема для большинства малых молекул и ионов, в том числе
Н
+
Содержит:
•переносчики электронов (комплексы I-IV)
•АДФ-АТФ транслоказу
•АТФ-синтазу (другие мембранные транспортеры
Матрикс содержит:
•пируватдегидрогеназный комплекс
•ферменты ЦТК
•ферменты окисления жирных кислот
•ДНК, рибосомы
Около
40%
энергии пищи
запасается в виде
ATФ, оставшиеся
60% выделяются в виде тепла
тепло
тепло
тепло
тепло
работа
биосинтез
Тканевое
дыхание
Переваривание и
всасывание
Органические молекулы пищи
Органические молекулы в клетках
Митохондрия
Основная функция - окисление метаболического топлива и сохранение свободной энергии за счет синтеза АТФ
Митохондрия
(структура)
Внутренняя мембрана непроницаема для большинства малых молекул и ионов, в том числе
Н
+
Содержит:
•переносчики электронов (комплексы I-IV)
•АДФ-АТФ транслоказу
•АТФ-синтазу (другие мембранные транспортеры
Матрикс содержит:
•пируватдегидрогеназный комплекс
•ферменты ЦТК
•ферменты окисления жирных кислот
•ДНК, рибосомы
Электроны двигаются от переносчиков с низким восстановительным потенциалом к переносчикам с высоким
Сукцинат-КоQ-
оксидоредуктаза
Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
ЦПЭ состоит из нескольких комплексов, следующих друг за другом в определенной
последовательности
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с оксидаза
Сукцинат-КоQ-
оксидоредуктаза
Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
ЦПЭ состоит из нескольких комплексов, следующих друг за другом в определенной
последовательности
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с оксидаза
Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
Компоненты ЦПЭ переносят протоны и электроны (или только электроны) от восстановленных субстратов (SH
2
) или от восстановленных коферментов таких как НАД или ФАДH
2
) к кислороду (O
2
) с образованием воды в результате
Компоненты ЦПЭ переносят протоны и электроны (или только электроны) от восстановленных субстратов (SH
2
) или от восстановленных коферментов таких как НАД или ФАДH
2
) к кислороду (O
2
) с образованием воды в результате
Таким образом, ЦПЭ представляет собой последовательность окислительно-восстановительных реакций, входе которых выделяется свободная энергия. Часть этой энергии (около 50-75%) накапливается в
макроэргических связях АТФ, а другая часть свободной энергии выделяется в виде тепла
НАД
+
(никотинамиалениндинуклеотид)
Переносчики ЦПЭ: НАД
макроэргических связях АТФ, а другая часть свободной энергии выделяется в виде тепла
НАД
+
(никотинамиалениндинуклеотид)
Переносчики ЦПЭ: НАД
Переносчики ЦПЭ: ФМН
Простетическая группа белка ЦПЭ (комплекс акцептор 1 или х электронов
Простетическая группа белка ЦПЭ (комплекс акцептор 1 или х электронов
Переносчики ЦПЭ: кофермент Q Мобильный переносчик электронов внутри бислоя
мембраны
акцептор 1 или 2-х
электронов
мембраны
акцептор 1 или 2-х
электронов
Переносчики ЦПЭ: цитохромы
Гемопротеины
Цитохром с -растворимый периферический
белок.
В основном это интегральные белки
Гемопротеины
Цитохром с -растворимый периферический
белок.
В основном это интегральные белки
Переносчики ЦПЭ
: железо- серные белки
: железо- серные белки
Переносчики ЦПЭ
:
медные центры
Cu
A
центр
Cu
B
центр
:
медные центры
Cu
A
центр
Cu
B
центр
Белки, участвующие в переносе электронов в ЦПЭ
Переносчики электронов в ЦПЭ образуют
полиферментные комплексы
полиферментные комплексы
Комплекс I
НАДH-КoQ
оксидоредуктаза
НАДH-КoQ
оксидоредуктаза
Комплекс II:
сукцинат-КoQ
оксидоредуктаза
Комплекс II
(сукцинатдегидрогеназа)
сукцинат-КoQ
оксидоредуктаза
Комплекс II
(сукцинатдегидрогеназа)
Комплекс III: К- цитохром c оксидоредуктаза
Комплекс IV:
цитохромoксидаза
цитохромoксидаза
Некоторые переносчики способны перекачивать протоны через мембрану
Сукцинат
дегидрогеназа
ЦПЭ
4 H
+
4 H
+
2 На каждую пару электронов H
+
4 H
+
4 H
+
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с
оксидаза
В межмембранное пространство:
Протонный градиент используется АТФ-
синтазой для синтеза АТФ
Гипоэнергетические состояния у детей
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 56-57
Сукцинат
дегидрогеназа
ЦПЭ
4 H
+
4 H
+
2 На каждую пару электронов H
+
4 H
+
4 H
+
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с
оксидаза
В межмембранное пространство:
Протонный градиент используется АТФ-
синтазой для синтеза АТФ
Особенности энергетического обмена в детском возрасте
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 47-56
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 47-56
Гипоэнергетические состояния у детей
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 56-57
Нарушения энергетического обмена
гипоксии
Гипоксия - пониженное содержание кислорода в организме или отдельных органах и тканях
Гипоксии делятся на 2 группы. Гипоксия вследствие снижения парциального давления
кислорода во вдыхаемом воздухе (экзогенная. Гипоксия при патологических процессах, нарушающих
снабжение тканей кислородом при нормальном его
содержании в окружающей среде (5 типов
гипоксии
Гипоксия - пониженное содержание кислорода в организме или отдельных органах и тканях
Гипоксии делятся на 2 группы. Гипоксия вследствие снижения парциального давления
кислорода во вдыхаемом воздухе (экзогенная. Гипоксия при патологических процессах, нарушающих
снабжение тканей кислородом при нормальном его
содержании в окружающей среде (5 типов
Типы гипоксий
• Дыхательная (респираторная) — при нарушении транспорта кислорода из атмосферы в кровь Циркуляторная — при нарушениях кровообращения Гемическая (кровяная) — при снижении кислородной ёмкости крови Тканевая (гистотоксическая) — при нарушении использования кислорода тканями Смешанная
• Дыхательная (респираторная) — при нарушении транспорта кислорода из атмосферы в кровь Циркуляторная — при нарушениях кровообращения Гемическая (кровяная) — при снижении кислородной ёмкости крови Тканевая (гистотоксическая) — при нарушении использования кислорода тканями Смешанная