7 семестр / Биоэнергетика

208

Лекция. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика

Понятие о метаболизме и метаболических путях. Метаболизм как совокупность процессов катаболизма и анаболизма

Биоэнергетика. Элементы термодинамики открытых систем. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов. Макроэргические соединения. АТФ - основной источник и аккумулятор энергии в организме.

Фазы катаболизма основных питательных веществ в организме. Окислительные реакции катаболических процессов. Субстратное и окислительное фосфорилирование. Клеточное дыхание.

Организация дыхательной цепи в митохондриях. Направление движения электронов по дыхательной цепи. Электрохимический потенциал. Роль АТФсинтазы в сопряжении окислительного фосфорилирования с цепью переноса электронов. Коэффициент фосфорилирования при переносе восстановительных эквивалентов на кислород от различных субстратов.

Биоэнергетика. Основные понятия и определения

Особенности живых организмов как объектов для термодинамических исследований

Химическая термодинамика является теоретической основой биоэнергетики. Биоэнергетика занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Все эти превращения осуществляются в полном соответствии с первым и вторым началами термодинамики. Тем не менее, живой организм, как объект для термодинамических исследований, отличается целым рядом специфических особенностей в сравнении с системами, которые служат объектами изучения в технической и химической термодинамики. Из этих особенностей наибольшего внимания заслуживают следующие.

Живой организм представляет собой типично открытую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией. В то же время для биологических систем применимо понятие стационарного состояния. В этом состоянии параметры в системе остаются постоянными, а скорость притока веществ и энергии равна скорости удаления их из системы. Такие системы не изменяют своих свойств во времени и сходны с системами, находящимися в равновесии.

Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение. Ведь все живые организмы высоко организованы и постоянно поддерживают свой уровень организации, поэтому для биологических систем справедливо неравенство Sокр. + Sсист.

> 0 , а не Sсист > 0.

209

Все биохимические процессы, происходящие в клетках в условиях постоянства температуры и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций, резких изменений объема.

Небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии, биологические функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Стандартное состояние для биологических объектов отличается от стандартного состояния технических и химических систем. Вспомним, что стандартным состоянием химической системы является состояние, при котором концентрации всех веществ равны 1 моль/л ( или для газов, входящих в систему, парциальные давления равны 1 атм). Для биологических систем это определение остается в силе за исключением концентрации ионов Н+, которая для стандартного состояния принимается равной 10-7 моль/л. Это соответствует нейтральной среде (рН 7), характерной для биологических объектов.

G0 - стандартная энергия Гиббса для химических систем;G0 - стандартная энергия Гиббса для биологических систем.

Сопряжение экзергонических процессов с эндергоническими

Человек получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества являются термодинамически нестабильными. Катаболические превращения этих веществ (распад или окисление) протекают с уменьшением свободной энергии. Такие процессы являются самопроизвольными (экзергоническими - G<0) и могут служить источником энергии для функционирования живой клетки. Все процессы, которые идут с увеличением свободной энергии (эндергонические - G>0), несамопроизвольные и должны быть сопряжены с экзергоническими процессами.

Жизненно важные процессы - реакции синтеза (т.е. анаболические процессы), мышечное сокращение, активный транспорт - являются эндергоническими процессами. Эндергонический процесс не может протекать изолированно. Такие процессы получают энергию путем химического сопряжения с реакциями окисления молекул пищевых веществ (катаболическими процессами), которые являются экзергоническими реакциями. Совокупность метаболических и анаболических процессов есть метаболизм.

211

многих процессов, и последующего включения этого соединения в эндергонические реакции, что обеспечивает передачу энергии. Таким общим для многих реакций соединением - энергетической валютой клетки - является аденозинтрифосфат (АТР).

Это позволяет сопрягать большее число экзергонических реакций с большим числом эндергонических. В молекуле АТР две макроэргические связи, т.е. связи, при гидролизе которых высвобождается энергия.

Макроэргические соединения

Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то такую связь называют высокоэнергетической. Энергия гидролиза некоторых субстратов приведена в таблице.

Макроэргические соединения можно разделить на две группы: 1)Соединения, образующиеся в ходе процессов катаболизма и

служащие для превращения энергии в качестве передаточного звена (1,3- дифосфоглицерат, фосфоенолпируват - промежуточные метаболиты катаболизма углеводов).

2) Соединения, которые могут быть использованы тканями в качестве "аварийного" источника энергии (креатинфосфат локализован в основном в мышцах и служит дополнительным источником энергии при стремительных кратковременных нагрузках).

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием. У человека метаболическим превращениям подвергаются, главным образом, глюкоза, жиры и аминокислоты. Глюкоза и аминокислоты - структурные компоненты белков и углеводов. Таким образом, необходимыми компонентами пищи являются белки углеводы и жиры.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

212

Первая фаза - подготовительная. Она необходима для превращения полимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии, запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза - частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов: пирувата, ацетил-КоА и некоторых метаболитов цикла Кребса. На этом этапе освобождается около 20% энергии. Эта стадия называется промежуточный обмен. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме.

Третья фаза - окончательный распад всех веществ до CO2 и H2O. Этот этап включает реакции общего пути катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса) и цепь переноса электронов.

Примерно 80% всей энергии химических связей освобождается в данной фазе. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Клеточное дыхание

213

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H3PO4 + энергия АТФ + H2O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, а водород (Н+ и е-) переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды,

называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование.

В этом случае макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и физиологических процессах.

ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Большая часть энергии, высвобождаемой при окислении жирных кислот, аминокислот и углеводов запасается в виде восстановительных эквивалентов никотинамидадениндинуклеотида (НАДН Н+) и флавинадениндинуклеотида (ФАДН2), которые поставляются в дыхательную цепь для преобразования энергии химических связей в энергию электрохимического потенциала при прохождении восстановительных эквивалентов (Н+ и е-) по цепи переноса электронов. Энергия электрохимического потенциала затем вновь преобразуется в химическую энергию макроэргических связей АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Организация дыхательной цепи в митохондриях. Движущая сила процесса переноса электронов

В состав внутренней мембраны митохондрий входит кардиолипин (менее полярный липид, чем другие мембранные липиды), поэтому мембрана проницаема только для малых незаряженных молекул, непроницаема для заряженных молекул (особенно для ионов Н+) и содержит специальные переносчики для неорганического фосфата, АДФ, АТФ, аминокислот, жирных кислот, ди- и трикарбоновых кислот и их производных.

214

Компоненты цепи переноса электронов и ферменты окислительного фосфорилирования АДФ также локализованы во внутренней мембране митохондрий ( 20-25 % всех белков внутренней мембраны митохондрий).

Компоненты дыхательной цепи в основном являются сложными интегральными белками, коферменты которых могут участвовать в обратимых окислительно-восстановительных реакциях. Они располагаются последовательно в порядке возрастания восстановительных потенциалов. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду. Главная дыхательная цепь в митохондриях начинается от НАДзависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с цепью переноса электронов через НАД-зависимые дегидрогеназы, некоторые связаны с флавопротеиновыми дегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи.

Белки, участвующие в транспорте электронов ассоциированы в комплексы I, II, III и IV.

216

Нормальное окисление НАДН и сукцината всегда двух электронная реакция с переносом двух атомов водорода (Н+ и е-) на флавин. В отличие от НАДН и сукцината флавины и КоQ могут участвовать в одно- и двух электронных реакциях, приводящих к образованию восстановленного хинола, окисленного хинона и промежуточной формы - семихинона.

Способность флавинов и КоQ образовывать семихиноновые промежуточные соединения является ключевым моментом в электронном транспорте в митохондриях, т.к. эти кофакторы связывают обязательные двух электронные реакции НАДН и сукцината с обязательными одноэлектронными реакциями в цитохромах.

Цитохромы - это сложные белки, содержащие в качестве простетической группы гем. В отличие от гемоглобина и миоглобина гемовое железо цитохромов обратимо меняет степень окисления (Fe2+ Fe3+).

Окислительное фосфорилирование

Свободная энергия, доступная в результате переноса двух электронов от НАДН и сукцината соответственно составляет 238 и 150 кДж/моль соответственно. На синтез одного моль АТФ расходуется 31 кДж/моль энергии. Синтез АТФ из АДФ сопряженный с процессом переноса электронов по дыхательной цепи и катализируемый интегральным белком - АТФ-синтазой, называется окислительным фосфорилированием. Суммарный процесс можно представить в следующем виде:

АДФ + Фн + энергия АТФ + Н2О Сопряжение происходит при участии внутренней мембраны

митохондрий.

217