Система унификации субстратов окисления в организме человека

Непосредственное использование химической энергии, содержащейся в молекулах пищевых веществ невозможно, потому что при разрыве внутримолекулярных связей выделяется огромное количество энергии, которое может привести к повреждению клетки. Чтобы пищевые вещества, поступившие в организм, должны пройти ряд специфических превращений, в ходе которых происходит многостадийный распад сложных органических молекул на более простые. Это даёт возможность постепенного высвобождения энергии и запасания её в виде АТФ.

Процесс превращения разнообразных сложных веществ в один энергетический субстрат называется унификацией. Выделяют три этапа унификации:

1. Подготовительный этап протекаетв пищеварительном тракте, а также в цитоплазме клеток организма. Крупные молекулы распадаются на составляющие их структурные блоки: полисахариды (крахмал, гликоген) – до моносахаридов; белки – до аминокислот; жиры – до глицерина и жирных кислот. При этом выделяется небольшое количество энергии (около 1%), которая рассеивается в виде тепла.

2. Тканевые превращения начинаются в цитоплазме клеток, заканчиваются в митохондриях. Образуются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Образующиеся продукты являются общими для путей обмена разных веществ: пируват, ацетил-коэнзимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат и др. Важнейшим из таких соединений является ацетил-КоА – остаток уксусной кислота, к которому макроэргической связью через серу S присоединён коэнзим А - активная форма витамина В₃ (пантотеновой кислоты). Процессы распада белков, жиров и углеводов сходятся на этапе образования ацетил-КоА, образуя в дальнейшем единый метаболический цикл. Для этого этапа характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, часть которой аккумулируется в виде АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.

3. Митохондриальный этап. Продукты, образовавшиеся на второй стадии, поступают в циклическую окислительную систему - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)и связанную с ним дыхательной цепи митохондрий. В цикле Кребса ацетил-КоА окисляется до СО₂ и водорода, связанного с переносчиками – НАД⁺·Н₂ и ФАД·Н₂. Водород поступает в дыхательную цепь митохондрий, где происходит его окисление кислородом до Н₂О. Этот процесс сопровождается высвобождением примерно 80% энергии химических связей веществ, часть которой используется на образование АТФ, а часть - выделяется в виде тепла.

Этапы

Белки

Углеводы (полисахариды)

Жиры

I подготовительный; высвобождается 1% энергии питательных веществ (в виде тепла);

  аминокислоты

глюкоза

глицерин, жирные кислоты

II тканевые превращения; 20% энергии в виде тепла и АТФ

ацетил-КоА (СН₃-СО~SKoA)

III митохондриальный этап; 80% энергии (примерно половина - в виде АТФ, остальное - в виде тепла).

Цикл трикарбоновых кислот СО₂ Дыхательная цепь митохондрий О₂

Н₂О

Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях

Важной особенностью биологического окисления является то, что оно протекает под действием определённых ферментов (оксидоредуктаз). Все необходимые ферменты для каждой стадии объединены в ансамбли, которые, как правило, фиксируются на различных клеточных мембранах. В результате слаженного действия всех ферментов химические превращения осуществляются постепенно, как на конвейере. При этом продукт реакции одной стадии является исходным соединением для следующей стадии.

Классификация оксидоредуктаз:

1. Дегидрогеназы осуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:

SH₂ + A → S +AH₂

В процессах, связанных с извлечением энергии, наиболее распространённый тип реакций биологического окисления – дегидрирование, то есть отщепление от окисляемого субстрата двух атомов водорода и перенос их на окислитель. В действительности водород в живых системах находится не в виде атомов, а представляет собой сумму протона и электрона (Н⁺ и ē), маршруты движения которых различны.

Дегидрогеназы являются сложными белками, их коферменты (небелковая часть сложного фермента) способны быть и окислителем, и восстановителем. Забирая водород от субстратов коферменты переходят в восстановленную форму. Восстановленные формы коферментов могут отдавать протоны и электроны водорода другому коферменту, который имеет более высокий окислительно-восстановительный потенциал.

1) НАД⁺- и НАДФ⁺-зависимые дегидрогеназы (коферменты - НАД⁺ и НАДФ⁺- активные формы витамина РР ). Присоединяют два атома водорода от окисляемого субстрата SH₂, при этом образуется восстановленная форма - НАД⁺·Н₂:

SH₂ + НАД⁺ ↔ S + НАД⁺·Н₂

2) ФАД-зависимые дегидрогеназы (коферменты - ФАД и ФМН – активные формы витамина В₂). Окислительные способности этих ферментов позволяют им принимать водород как непосредственно от окисляющегося субстрата, так и от восстановленного НАДН₂. При этом образуются восстановленные формы ФАД·Н₂ и ФМН·Н₂.

SH₂ + ФАД ↔ S + ФАД·Н₂

НАД⁺·Н₂ + ФМН ↔ НАД⁺ + ФМН·Н₂

3) коэнзим Q или убихинон, который может дегидрировать ФАД·Н₂ и ФМН·Н₂ и присоединять два атома водорода, превращаясь в КоQ·Н₂ (гидрохинон):

ФМН·Н₂ + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н₂

2. Железосодержащие переносчики электронов геминовой природы– цитохромы b, c₁, c, a, a₃. Цитохромы – это ферменты, относящиеся к классу хромопротеидов (окрашенных белков). Небелковая часть цитохромов представлена гемом, содержащим железо и близким по строению к гему гемоглобина. Одна молекула цитохрома способна обратимо принимать один электрон, при этом меняется степень окисления железа:

цитохром(Fe³⁺) + ē ↔ цитохром(Fe²⁺)

Цитохромы a, a₃ образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой. В отличие от других цитохромов, цитохромоксидаза способна взаимодействовать с кислородом – конечным акцептором электронов.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

Этот процесс называют также цитратным циклом или циклом Кребса по имени английского учёного, предположившего, что в клетках имеется окислительная циклическая система реакций. ЦТК представляет собой протекающий в митохондриях распад ацетил-КоА до СО₂ и водорода, связанного с переносчиками (НАД и ФАД).

На первой стадии процесса ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой) с образованием цитрата (лимонной кислоты). Далее от лимонной кислоты последовательно отщепляются 2 молекулы углекислого газа и 4 пары атомов водорода, и вновь образуется щавелевоуксусная кислота, поэтому процесс и называется циклом.

ЦТК связан с тканевым дыханием. Промежуточные метаболиты цикла являются субстратами окисления (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат и малат). В цикле происходит их окисление (дегидрирование) под действием НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ. При этом НАД и ФАД восстанавливаются, т.е. присоединяют водород:

изоцитрат + НАД → оксалосукцинат + НАДН₂

(изолимонная кислота) (щавелевоянтарная кислота)

α-кетоглутарат + НАД → сукцинил-КоА + НАДН₂

(α-кетоглутаровая кислота) (активная форма янтарной кислоты)

сукцинат + ФАД → фумарат + ФАДН₂

(янтарная кислота) (фумаровая кислота)

малат + НАД → оксалоацетат + НАДН₂

(яблочная кислота) (щавелевоуксусная кислота)

Водород из цикла Кребса (в виде НАДН₂ и ФАДН₂) поступает в дыхательную цепь, где он используется как своего рода топливо. В дыхательной цепи происходит перенос протонов и электронов водорода на кислород с образованием воды. Выделяющаяся при этом энергия используется на образование АТФ.

Биологическая роль цикла:

- на уровне цикла Кребса объединяются пути распада углеводов, липидов и белков;

- метаболиты цикла Кребса используются для синтеза других веществ (щавелевоуксусная кислота → глюкоза, аспарагиновая кислота; α-кетоглутаровая кислота → глутаминовая кислота, янтарная кислота → гем);

- цикл Кребса – главная система, поставляющая водород для дыхательной цепи митохондрий. Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА в цикле Кребса:

СН₃-С~SКоА + 2Н₂О + Н₃РО₄ + АДФ + 3НАД + ФАД → 2СО₂ + 3НАД∙Н₂ + ФАД∙Н₂ + АТФ + КоАSH

║ ↓ ↓

О 9 АТФ 2 АТФ

Таким образом, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ: в сопряжённой с циклом дыхательной цепи – 11 молекул; в самом цикле - 1 молекула АТФ на этапе превращения сукцинил-КоА в сукцинат:

ГТФ + АДФ → АТФ + ГДФ (снова поступает в цикл)

Дата добавления: 2015-04-25