Учебное пособие: Обмін енергії в організмі

План

1. Обмін речовин – функція живого

2. Перетворення хімічної енергії в організмі:

2.1. Перекисна теорія

2.2. Теорія Паладіна

2.3. Сучасні уявлення про механізм процесу біологічного окислення

3. Механізм переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу:

3.1. Аеробне та анаеробне окислення

3.2. Окислювальне фосфорилювання

3.3. Вільне та спряжене окислення

4. Макроергічні зв‘язки та макроергічні сполуки

Починаючи вивчення курсу біохімії ми визначили основні характеристики живого організму. На відміну від предметів неживої природи живі об‘єкти здатні до самовідтворення з передачею генетичної інформації. Являючись відкритими системами – активно взаємодіють з навколишнім середовищем, підтримуючи тим самим власну внутрішню рівновагу (гомеостаз). В основі останнього лежить надходження енергії харчових субстратів з оточуючого середовища в організм і виведення з нього кінцевих продуктів внутрішнього обміну. Сукупність обмінних процесів між живою системою та оточуючим середовищем отримали назву метаболізму, а реакції що приводять до утворення кінцевих продуктів життєдіяльності організму називають внутрішнім обміном.

Реакції внутрішнього обміну за напрямками їх протікання та характером кінцевих продуктів поділяють на:

Проміжний обмін – комплекс хімічних перетворень речовин які щойно потрапи-ли в організм ззовні.

Пластичний обмін – сукупність хімічних процесів що приводять до синтезу специфічних для організму речовин: ферментів, гормонів, енерговмісних сполук, структурних елементів клітини.

Функціональний обмін – включає біохімічні реакції які забезпечують функціональну активність клітин, тканин та органів.

Обмін речовинами в живій системі забезпечується взаємопов‘язаними але протилежними процесами асиміляції та дисиміляції.

Асиміляція – засвоєння та перетворення речовин оточуючого середовища у специфічні для організму сполуки.

Дисиміляція – розпад речовин організму до кінцевих продуктів та виведення їх з організму.

Сонячна енергія, у глобальному понятті, єдине джерело енергії планети Земля. Сонце виділяє 13 10²³ Ккалорій енергії на рік. Кількість енергії що падає на Зелю щоденно, еквівалентна 1000000 атомних зарядів що впали на Хіросіму. Частина енергії затримується у верхніх шарах атмосфери, частина, відбиваючись від поверхні, розсіюється у вигляді тепла і лише 1 % її перетворюється в енергію хімічних зв‘язків органічних сполук завдяки процесам фотосинтезу. Людина як не фотосинтезуюча система не має можливості безпосередньо засвоювати cонячну енергію для підтримання процесів життя. Функціональна активність організму забезпечується зовнішнім надходженням енергії у вигляді хімічної енергії харчових продуктів.

2. Перетворення хімічної енергії в організмі

Питання про трансформацію енергії хімічних зв‘язків у фізіологічні функції давно хвилювало вчених. Ще у 18 сторіччі Лавуазьє помітив подібність процесів дихання організму та горіння органічних речовин. Для підтримання обох процесів необхідним є кисень, а кінцевими продуктами являються вода і вуглекислий газ.

Після відкриття Лавуазьє за короткий проміжок часу виникло багато теорій біологічного окислення органічних речовин.

2.1 Перекисна теорія Шенбайна–Баха

Передумовою створення послужило відкриття Шенбайном озону, який здатний окислювати деякі речовини при звичайній температурі утворюючи пероксиди.

Суть :

1. Кисень повітря попадаючи в організм активується під дією легкоокисних речовин ( оксигеназ) з утворенням пероксидів.

О

оксигеназа + О₂ ОКСИГЕНАЗА

О

2. Кисень пероксиду оксигенази, під впливом ферменту пероксидази, переноситься на більш важкоокисні субстрати окислюючи їх.

ОО О
ОКСИГЕНАЗА + S S + оксигеназа.

О

2.2 Теорія Паладіна–Віланда (окислення речовин шляхом їх дегідрування)

Передумовою виникнення було відкриття в рослинах особливих пігментів, що здатні окислювати субстрати без кисню.

Суть:

1. Окислення субстратів проходить завдяки їх дегідруванню ( відщеп-ленню від молекул субстрату атомів водню), що здійснюється за допомогою де-гідрогеназних ферментних систем:

H H

S + D S + D

H H

Red. Ox Ox Red

2. Кисень безпосередньо з субстратом не взаємодіє, а окислюючи відновлену форму дегідрогеназ запобігає зупинці процесів біологічного окислення:

H H

D + O D + O + Е

H H

Red Ox Ox Red

Подальший розвиток науки довів справедливість обох теорій які і лягли в основу сучасних уявлень про механізм біологічного окислення.

2.3 Сучасна теорія біологічного окислення

Біологічне окислення – сукупність хімічних реакцій у яких проходить перенос електронів і протонів від окислювальної речовини ( донора ) до речовини що відновлюється (акцептора). Процес відбувається з виділенням енергії.

Перенос електронів і протонів водню між речовинами (компонентами дихального ланцюга мітохондрій) відбувається згідно їх величин спорідненості до електрону (сила притягання електрона до ядра). Кількісною мірою останньої є величина окисно-відновного потенціалу Е.о.: – від‘ємна величина Е.о. характеризує низьку спорідненість до електрона, речовина добре віддає електрони і протони, тобто є їх донором; – позитивна величина Е.о. характеризує високу спорідненість до електрона, речовина краще приєднує електрони і протони ніж віддає їх, тобто є акцептором протонів і електронів.

Перенос електронів і протонів відбувається за допомогою різноманітних ферментних систем.

Дегідрогенази – складні білки які каталізують відщеплення атомів водню та електронів від окислювальних субстратів. Складаються з білкової частини – апоферменту, та небілкової – коферменту чи простетичної групи. В організмі налічується біля 150 видів дегідрогеназних ферментних систем.

В процесах окислення найчастіше беруть участь три типи систем які відрізняються будовою небілкової частини.

1). Якщо коферментом дегідрогеназної системи є вітамін РР (амід нікотинової кислоти), то говорять про НАД– та НАДФ-залежні дегідрогенази.

НАД і НАДФ–залежні дегідрогенази : легко окислюють вуглеводневі, жирові та білкові субстрати; високорухливі носії протонів водню між різними дегідрогеназними системами; Е.о. = –0.3 В.

Нікотинамідаденіндинуклеотид Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат

CONH₂ CONH₂

NN

O–CH₂ O O–CH₂ O

H H H H

H OH OH H H OH OH H

O=P–OH O=P–OH NH₂

NH₂

O N N O N N

O=P–OH O=P–OH

N N N N

O–CH₂ O–CH₂

O O

H H H H

H OH HO H H O HO H

HO–P=O

OH
Активною частиною їх є піридинове кільце нікотинаміду:

H H H H

S + H CONH₂ H CONH₂

H H H H H + H⁺ + S

N⁺ N

2) Якщо простетичною групою є вітамін В₂ (рибофлавін) то говорять про флавінзалежні дегідрогенази ФМН та ФАД. ФАД–залежні дегідрогенази, якіпереважно окислюють жирові субстрати та НАД-залежні дегідрогенази маючи окисно-відновний потенціал Е.о. = - 0.1 В.

Активною частиною їх молекули є ізоаллоксазинове кільце рибофлавіну:

O O

H CH₃ N NH CH₃ NH NH

S + + S

H CH₃ O CH₃ O

N⁺ N N NH

Флавінмононуклеотид Флавінаденіндинуклеотид

O O

CH₃ N NH CH₃ N NH

CH₃ O CH₃ O NH₂

N⁺ N N N N

CH₂ CH₂

CH–OH CH–OH N

CH–OH CH–OH N

CH–OH OH CH–OH OH OH

CH₂ –O–P–OH CH₂ -O-P-O-P-O-CH₂

O O O

O

H H

H OH OH

H

3) Якщо коферментом є похідне вітаміну К, то відповідні дегідрогенази називають убіхінонзалежними чи коферментом Q .

O

CH₃ O CH₃

CH₃ CH₃

CH₃ O (CH₂ –CH=C–CH₂ )₉ –CH₂ –CH=C–CH₃

O

Активною частиною молекули кофермента Q є убіхінон:

O OH

H CH₃ O CH₃ CH₃ O CH₃

S + + S

H CH₃ O R CH₃ O R

O OH

Убіхінонзалежні дегідрогенази володіючи Е.о. =–0.05 В окислюють тільки НАД- і ФАД-залежні дегідрогенази. Являючись надзвичайно високорухливими, є вузловими пунктами збору протонів водню окислених субстратів.

Особливим типом переносчиків є цитохроми. На відміну від дегідроге-наз, які безпосередньо окислюють субстрати забираючи від них протони водню та електрони, цитохроми лише переносять електрони окислених субстратів на кінцевий акцептор.

Цитохроми – складні білки, що складаються із залізовмісної простетичної групи та білка носія. Перенос електронів відбувається за рахунок зміни окисно-відновних потенціалів іону заліза:

Fe³⁺ + e Fe²⁺

Fe²⁺ – е Fe³⁺

По будові білка носія та значенням окисно–відновних потенціалів цитохроми поділяють на слідуючі типи :

Цит В < цит C < цит С < цит А₁ < цит А₃

+0.7мВ + 212мВ + 210мВ + 210мВ + 385мВ.

Отже:

1. Окислення субстратів організму проходить шляхом їх дегідрування за допомогою дегідрогеназних ферментних систем;

2. Перенос протонів водню та електронів окислених субстратів відбу-вається за допомогою дегідрогеназних ферментних систем згідно вели-чин їх окисно-відновних потенціалів (від речовини з нижчим його значенням до речовини з більш високим значенням);

3. НАД, ФАД, УХ – залежні дегідрогенази та цитохроми знаходяться в мітохондріальній мембрані, являючи собою єдину систему біологічного окислення, так званий «дихальний ланцюг»;

4. Дегідрогеназна система ферментів забезпечує окислення енергетичних субстратів і транспорт протонів та електронів а цитохромна, транспорту-ючи електрони, активує кінцевий акцептор.

3. Механізм переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу

3.1. Аеробне та анаеробне окислення

В залежності від кінцевого акцептору протонів водню та електронів, що пройшли крізь дихальний ланцюг, реакції біологічного окислення поділяють на аеробні та анаеробні.

Аеробними – називають реакції в яких кінцевим акцептором протонів водню та електронів, що пройшли по дихальному ланцюгу, є кисень.

H 2Н ⁺

S НАД⁺ ФАДНН УХ⁺ в⁺⁺ с⁺⁺⁺ а⁺⁺ О

H цит цит цит

в⁺⁺⁺ с⁺⁺ а⁺⁺⁺ О^2–

S НАДНН ФАД⁺ УХНН

H₂ O

Кінцевим продуктом аеробних реакцій біологічного окислення є вода і вугле-кислий газ.

3.2. Окислювальне фосфорилювання

Якщо кінцевим акцептором електронів та протонів водню дихального ланцюга є інші речовини крім кисню (молочна чи піровиноградна кислоти) то говорять про анаеробний тип біологічного окислення. Протікає при великих фізичних навантаженнях чи отруєннях організму. Обумовлюється дефіцитом тканинного кисню. Це приводить до «затоварення електронами» системи цитохром, зниження активності дегідрогеназ внаслідок накопичення їх відновлених форм. Проте, зупинки процесів окислення не відбувається завдяки окисленню від-новлених форм НАД-залежних дегідрогеназ піровиноградною кислотою. Ос-тання відновлюючись до молочної кислоти поновлює їх активність, що робить можливим подальше протікання процесів окислення субстратів.

H

S НАД⁺ CH₃ –CH–COOH (молочна кислота)

H OH

НАДНН CH₃ –C–COOH (піровиноградна кислота)

O

Молочна кислота – кінцевий продукт анаеробного (безкисневого) окислення субстратів. За нормальних фізіологічних умов доокислюється до вуглекислого газу та води.

Енергія що виділяється в результаті окислення органічних субстратів може по різному використовуватися організмом. Якщо вся енергія виділяється виключно у вигляді тепла, то говорять про вільне окислення. Спостерігається при отруєннях організму хімічними речовинами чи бактеріальними токсинами, внаслідок блокування факторів спряження – білків мітохондріальної мембрани які є необхідними для синтезу молекул АТФ.

Якщо ж енергія використовується для одночасних реакцій синтезу біоорганічних сполук, то говорять про спряжене окислення. Спряжене окислення – основний тип окисно-відновних процесів організму.У 1940 році радянський вчений Беліцер помітив слідуючий факт: окислення різних субстратів супроводиться споживанням неорганічного фосфату.

Пізніше було встановлено, що спожитий фосфат використовується на синтез АТФ. Таким чином вільна енергія окислення органічних субстратів перетворюється у доступну для організму енергію хімічних зв‘язків.

Поскільки процес утворення АТФ проходить спряжено (зв‘язано) з процесами окислення субстратів то він носить назву спряженого окислювального фосфорилювання.Для утворення макроергічного зв‘язку молекули АТФ необхідна різниця потен-ціалів між компонентами дихального ланцюга повинна складати 0.15В. Вона спостерігається у слідуючих пунктах спряження (місцях синтезу молекул АТФ).

І-й – забезпечується енергією переносу протонів водню від НАД до ФАД-за-лежних дегідрогеназних ферментних систем. Різниця окисно-відновних потен-ціалів –0.26 В. Синтезується одна молекула АТФ.

ІІ-й – забезпечується енергією переносу пари електронів від кофермента Q на цитохром С через цитохром В . Різниця окисно-відновних потенціалів – 0.29 В. Синтезується одна молекула АТФ.

ІІІ-й – забезпечується енергією переносу пари електронів з цитохрома А на ки-сень. Різниця окисно-відновних потенціалів –0.29 В. Синтезується одна моле-кула АТФ.

Надлишкові кількості енергії що виділяються в пунктах спряження, використо-вуються для підтримання функціональної активності цитохромоксидазної си-стеми (компонентів «дихального ланцюга»):

H 2Н ⁺

S НАД⁺ ФАДНН УХ⁺ в⁺⁺ с⁺⁺⁺ а⁺⁺ О

H цит цит цит

в⁺⁺⁺ с⁺⁺ а⁺⁺⁺ О^2–

S НАДНН ФАД⁺ УХНН

Е о-в. (В) –0.32 –0.06 0 +0.26 +0.29 +0.53 +0.82

АТФ АТФ АТФ

Висновок:

1. В процесі реакцій спряженого окислювального фосфорилювання перенос пари електронів та протонів водню через систему дихального ланцюга, за аеробних умов, приводить до утворення трьох молекул АТФ, а перенос пари електронів та протонів за анаеробних умов привдить до утворення однієї молекули АТФ.
2.Завдяки процесам окислювального фосфорилювання енергія окисних проце-сів трансформується у енергію зв‘язків макроергічних сполук.

4. Макроергічні зв‘язки та макроергічні сполуки

Макроергічними – називаються сполуки в складі молекул яких є багаті енергією (макроергічні) зв‘язки.

Залежно від величини енергії що акумульована у зв‘язках, макроергічні спо-луки поділяють на низькоенергетичні (2-3 кКал/зв.) та високоенергетичні (10-16 кКал /зв.) макроерги .

До низькоенергетичних макроергів відносять прості ефіри спиртів та фос-форної кислоти, фосфогліцеринова кислота, складні моно- та дифосфорні ефіри глюкози, рибози, фруктози.

До високоенергетичних макроергів відносять пірофосфат, креатинфосфат, ацетилфосфат, 1,3-дифосфогліцеринову кислоту , 2­фосфоенолпіровиноградну кислоту.

Особливе місце серед макроергів клітини належить системі АТФ-АДФ, що складається з аденіну, рибози, та трьох чи двох залишків фосфорної кислоти відповідно. Молекула АТФ містить два макроергічні зв‘язки, молекула АДФ – один. При розриві одного макроергічного зв‘язку виділяється 6-8 кКал. енергії.

Центральне місце системи АТФ-АДФ серед макроергів клітини забезпечується слідуючими факторами: проміжними значеннями енергії макроергічного зв‘яз-ку, великою мобільністю та високою концентрацією у клітині.

Ці фактори дають змогу системі АТФ-АДФ бути основними енергетичними субстратами клітини.

HO O

P OH NH₂

O N N

HO P O

O N N

O=P

OH O + H₂ O

CH₂ O

H H АТФ

H H

OH OH

NH₂

НO N N

HO P O

O N N

O=P

OH O + H₃ РО ₄ + Е

CH₂ O

H H АДФ

H H

OH OH

макроергічний зв‘язок.

Питання для самоконтролю.

1. Охарактеризуйте основні положення перекисної теорії.

2. Охарактеризуйте основні положення теорії Паладіна.

3. Поняття «дихального» ланцюга. Мітохондрії – основні енергетичні станції організму.

4. Характеристика НАД–залежних ферментних систем.

5. Характеристика ФАД–залежних дегідрогеназних систем.

6. Характеристика коферменту Qта системи цитохром.

7. Поняття процесів аеробного та анаеробного окислення харчових субстратів, вільного та спряженого окислення. Енергетичні ефекти процесів. Пункти спряження.

8. Характеристика макроергічних сполук клітини. АТФ – ключова сполука енергетичного обміну.