Трикарбоновых кислот

Окислительное декарбоксилирование пирувата и цикл

Стадии катаболизма питательных веществ. Общий путь катаболизма.

Лекция

Фармацевтический факультет 2008 год.

В живых клетках, находящихся в постоянном контакте и обмене с окружающей средой непрерывно проходят многочисленные химические превращения. Каждая из этих реакций имеет своё определенное значение, но функция всего организма обеспечивается совместным участием каждой реакции.

Метаболизм – это совокупность идущих в строго определенной последовательности многостадийных реакций, в ходе которых происходит расщепление молекул питательных веществ, освобождается и преобразуется химическая энергия и из простых молекул предшественников строятся макромолекулы, которые входят в состав клеток организма. Благодаря реакциям метаболизма живые организмы обеспечивают упорядоченность, постоянство внутренней среды, называемое гомеостазом.

В ряде случаев отдельные химические реакции объединяются в последовательности реакций, приводящие к образованию определенного продукта. Эти последовательности называют метаболическими путями (гликолиз, мобилизация гликогена, цикл трикарбоновых кислот).

Метаболизм складывается их двух противоположных фаз: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм - ферментативное расщепление сравнительно крупных молекул питательных веществ – углеводов, липидов, белков. Источником питательных веществ является или окружающая среда или внутриклеточные депо (запасы гликогена, жиров и т.д.). Катаболизм сопровождается выделением энергии, заключенной в химических связях органических молекул и аккумулирует её в форме фосфатных связей АТФ. Трансформация энергии химических связей органических соединений в энергию АТФ осуществляется за счет реакций окисления.

Р-ии дегидрирования окислительное фосфорилирование

Энергия хим.св. орг.мол-л ––––––– энергия е в составе –––––––––– энергия АТФ

НАДН и ФАДН₂

Анаболизм – это ферментативный синтез сложных биомолекул (полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, жиров) из сравнительно простых предшественников, протекающий с затратой энергии.

Катаболизм и анаболизм протекают в клетках одновременно, это сопряженные, взаимосвязанные, взаимодополняющие друг друга процессы.

Так как в клетке распад и синтез сложных веществ часто проходит через одни и те же промежуточные продукты (метаболиты), то существует опасность возникновения «холостых циклов», приводящих к потере энергии и конкуренции противоположных процессов за субстраты. Чтобы этого избежать, в клетках соблюдаются несколько общих принципов, положенных в основу регуляции обмена веществ.

1. Компартментализация – разделение клетки при помощи мембран на метаболические отсеки, со специфическими наборами ферментов, катализирующими преимущественно анаболические или катаболические процессы. Например, лизосомы содержат набор гидролитических ферментов участвующих в распаде сложных полимеров, а эндоплазматический ретикулум - преимущественно содержит ферменты синтеза этих молекул.

2. Рецепрокная регуляция. - поддержание в активном состоянии в данный момент времени только одного из путей обмена вещества. Например, фосфорилирование ферментов обмена гликогена приводит к активации гликогенфосфорилазы процесса распада и одновременно к ингибированию гликогенсинтазы процесса синтеза.

3. Принцип обратной связи – конечный продукт метаболического пути угнетает активность ферментов начального этапа, что предупреждает чрезмерное накопление в клетке промежуточных продуктов.

4. Существование мультиферментных систем, в которых промежуточные продукты прочно связаны с ферментами и не могут поступать во внутриклеточную среду и использоваться в других процессах.

Функции метаболизма:

1. Извлечение энергии из окружающей среды.

2. Разложение питательных веществ до молекул – строительных блоков

3. Синтез собственных структурных молекул (белков, полисахаридов, жиров, нуклеиновых кислот)

4. Синтез регуляторных молекул (гормонов, ферментов, медиаторов)

5. Обезвреживание токсичных веществ и выведение конечных продуктов.

Одна из основных функций метаболизма это обеспечение клеток энергией, необходимой для осуществления таких физиологических процессов как:

– движение (сократительная деятельность мышц)

– активный транспорт ионов и молекул через мембраны

– передача нервных импульсов

– биосинтез молекул

– поддержание температуры тела и т.д.

По отношению к источникам энергии все организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы используют энергию солнца (фототрофы) или химических неорганических реакций (хемотрофы). Гетеротрофы используют энергию химических связей органических соединений.

Человек относится к гетеротрофам, он приспособился использовать органические молекулы растительных и животных объектов в качестве источника энергии и материала для построения собственных структур. Однако свободная энергия, выделяющаяся при разрушении химических связей, не может быть использована напрямую, а должна быть преобразована в универсальную энергетическую валюту клетки – в энергию макроэргических связей АТФ. Макроэргические связи, это связи, при разрыве которых выделяется не менее 30 кДж (7.3. ккал)/моль.

Извлечение энергии из питательных веществ в процессе их катаболизма осуществляется через ряд ферментативных реакций или стадий.

Стадии (этапы) катаболизма питательных веществ.

I этап. Питательные вещества (белки, углеводы, жиры) распадаются в желудочно- кишечном тракте или внутри клеток в лизосомах до составляющих их мономеров. Белки до аминокислот, углеводы до моносахаридов, жиры до глицерола и жирных кислот. При этом происходит не только уменьшение размеров молекул, но сокращается и их качественное разнообразие. Так, в ходе гидролиза нескольких тысяч видов белковых молекул образуется всего около 20 видов аминокислот.

Распад происходит при участии ферментов, относящихся к классу гидролаз, и не сопровождается накоплением энергии.

II этап. Мономеры внутри клеток распадаются до еще более простых молекул, качественное разнообразие которых меньше 10. В основном это ПВК (3 атома углерода) и ацетил-КоА (2 атома углерода). Продукты, образующиеся в ходе 2-го этапа играют ключевую роль в обмене веществ и получили название общих или универсальных метаболитов. Ферменты этого этапа локализованы преимущественно в цитоплазме клеток, но часть метаболических путей происходит в митохондриях. На этом этапе выделяется примерно 20% энергии, часть которой запасается в виде АТФ, остальная рассеивается в виде тепла.

I и II этапы катаболизма питательных веществ составляют специфические пути катаболизма. Под специфическими путями катаболизма понимают процессы распада пищевых полимеров и составляющих их мономеров, сопровождающиеся утратой их индивидуальных особенностей до общих продуктов. Специфические пути катаболизма протекают при участии ферментов, характерных для каждого отдельного процесса. Например, ферменты углеводного обмена; ферменты обмена аминокислот или жирных кислот.

III этап. Распад ПВК и ацетил-КоА до конечных продуктов – СО₂ и Н₂О. Катализируется ферментами, локализованными в митохондриях. На этом этапе промежуточные метаболиты подвергаются дегидрированию с последующим переносом водородов на молекулярный кислород, а выделяющаяся при этом энергия используется на синтез АТФ. На этом этапе выделяется примерно 80% энергии.

III этап катаболизма называют общим путём катаболизма он завершает процесс извлечения энергии из любых питательных веществ.

Общий путь катаболизма включает в себя три биохимических процесса:

1. Окислительное декарбоксилирование пирувата

2. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

3. Окислительное фосфорилирование (тканевое дыхание).

Этапы катаболизма питательных веществ можно представить в виде схемы:

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

В матриксе митохондрий пировиноградная кислота подвергается реакциям окислительного декарбоксилирования при участии мультиферментного комплекса – пируватдегидрогеназы.

В состав этого комплекса входят три фермента:

1. пируватдекарбоксилаза (ТДФ)

2. трансацилаза (липоевая кислота)

3. дигидролипоилдегидрогеназа (ФАД)

Реакции протекают при участии ещё двух коферментов НАД⁺ и НS-КоА, которые объединяются с комплексом только на время и выполняют функцию акцепторов продуктов реакции. НАД⁺ принимает на себя отщепляемые атомы Н, а НS-КоА – ацетильный остаток.

Общее уравнение реакции выглядит следующим образом:

Регуляция скорости окислительного декарбоксилирования пирувата.

Регуляторным ферментом комплекса является первый фермент – пируватдекарбоксилаза, ЕГО АТИВНОСТЬ КОНТРОЛИРУЕТСЯ ПРИ ПОМОЩИ 2-Х МЕХАНИЗМОВ.

1. Фосфорилирование–дефосфорилирование. При высоком уровне АТФ в клетке происходит фосфорилирование регуляторного фермента и снижение его активности. При снижении концентрации АТФ и увеличении АДФ происодит дефосфорилирование фермента и повышение его активности. Таким образом, чем выше отношение АТФ/АДФ в клетке, тем меньше скорость окислительного декарбоксилирования пирувата и наоборот.

2. Аллостерическая регуляция осуществляется окисленной и восстановленной формой НАД. НАДН является ингибитором, а НАД⁺ - активатором 1-го фермента комплекса. Поэтому при высоком отношении НАДН/НАД⁺ скорость реакции уменьшается, а при низком – увеличивается.

Продуктами окислительного декарбоксилирования пирувата являются атомы водорода в составе НАДН и ацетил-КоА, который подвергается дальнейшим превращениям в реакциях цикла трикарбоновых кислот.

Дата добавления: 2015-07-13