Этапы катаболизма. Биологическое окисление (тканевое дыхание). Особенности биологического окисления
Занятие №1.
Актуальность темы.
Биологическое окисление – совокупность протекающих в каждой клетке ферментативных процессов, в результате которых молекулы углеводов, жиров и аминокислот расщепляются, в конечном счете, до углекислоты и воды, а освобождающаяся энергия запасается клеткой в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и затем используется в жизнедеятельности организма (биосинтез молекул, процесс деления клеток, сокращение мышц, активный транспорт, продукция тепла и др.). Врач должен знать о существовании гипоэнергетических состояний, при которых снижается синтез АТФ. При этом страдают все процессы жизнедеятельности, которые протекают с использованием энергии, запасенной в виде макроэргических связей АТФ. Наиболее распространенная причина гипоэнергетических состояний – гипоксия тканей, связанная со снижением концентрации кислорода в воздухе, нарушением работы сердечно-сосудистой и дыхательной систем, анемиями различного происхождения. Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы, связанные с нарушением структурного и функционального состояния ферментных систем, участвующих в процессе биологического окисления, а также голодание, которое приводит к отсутствию субстратов тканевого дыхания. Кроме того, в процессе биологического окисления образуются активные формы кислорода, запускающие процессы перекисного окисления липидов биологических мембран. Необходимо знать механизмы защиты организма от данных форм (ферменты, лекарственные препараты, оказывающие мембраностабилизирующее действие – антиоксиданты).
1. Основные вопросы темы:
1.1.Понятие о катаболизме. Анаболические и катаболические процессы и их взаимосвязь.
1.2.Макроэргические соединения. АТФ – универсальный аккумулятор и источник энергии в организме. Цикл АТФ-АДФ. Энергетический заряд клетки.
1.3.Этапы катаболизма. Биологическое окисление (тканевое дыхание). Особенности биологического окисления.
1.4.Первичные акцепторы протонов водорода и электронов.
1.5.Организация дыхательной цепи. Переносчики в дыхательной цепи (ЦПЭ).
1.6.Окислительное фосфорилирование АДФ. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).
1.7.Дыхательный контроль. Разобщение дыхания (окисления) и фосфорилирования (свободное окисление).
1.8.Образование токсичных форм кислорода в ЦПЭ и обезвреживание перекиси водорода ферментом пероксидазой.
2. Основные вопросы темы.
2.1. Понятие об обмене веществ. Анаболические и катаболические процессы и их взаимосвязь.
Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную клеточную активность, обеспеченную участием многих взаимосвязанных ферментативных систем, и включает два неразрывных процесса анаболизми катаболизм.
Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из простых молекул. Поскольку он сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.
Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до простых конечных продуктов. Это сопровождается высвобождением энергии, заключенной в химических связях веществ. Большая часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть используется для синтеза АТФ.
Макроэргические соединения. АТФ – универсальный аккумулятор и источник энергии в организме. Цикл АТФ-АДФ. Энергетический заряд клетки.
Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде макроэргических связей, при гидролизе каждой из которых выделяется 20 и более кдж/моль энергии. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ.
Молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют.
Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная «энергетическая валюта».
Каждая клетка обладает электрическим зарядом, который равен
[АТФ] + ½[АДФ]
[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]
Если заряд клетки равен 0,8-0,9, то в клетке весь адениловый фонд представлен в виде АТФ (клетка насыщена энергией и процесс синтеза АТФ не происходит).
По мере использования энергии, АТФ превращается в АДФ, заряд клетки становится равным 0, автоматически начинается синтез АТФ.
Способы синтеза АТФ
Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование,протекающее во внутренней мембране митохондрий ( дыхательной цепи).в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой.
Другой способ – субстратное фосфорилирование. Он связан с передачей макроэргического фосфата на АДФ.
Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.
РОЛЬ АТФ
Энергия АТФ используется для совершения различных видов работ в организме:
- механической (мышечное сокращение);
- электрической (проведение нервного импульса);
- химической (синтез веществ);
- осмотической (активный транспорт веществ через мембрану).
Этапы катаболизма. Биологическое окисление (тканевое дыхание). Особенности биологического окисления.
Обмен веществ состоит из 4 этапов.
I этап – расщепление в желудочно-кишечном тракте белков, жиров и углеводов до мономеров (аминокислот, высших жирных кислот и глицерина, моносахаридов). В процессе пищеварения теряется видовая специфичность питательных веществ.
II этап – внутриклеточный катаболизм- глюкоза, высшие жирные кислоты, аминокислоты подвергаются специфическим превращениям до образования ацетил-КоА (гликолиз, β-окисление высших жирных кислот, трансаминирование аминокислот и др.)- процессы протекают в цитоплазме.
III этап – общий путь катаболизма – цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);
|
IV этап- перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород(через дыхательную цепь).он сопровождается образованием конечного продукта-молекулы воды. этот транспорт электронов сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования .
ЩУКа "съела" ацетат,
Получается цитрат.
Через cis-аконитат
Будет он - изоцитрат.
Водороды отдав НАД,
Он теряет СО 2.
Этому безмерно рад
Альфа -кето- глутарат.
Окисление грядет:
НАД похитит водород,
В 1 и липоат
С коэнзимом А спешат,
Отбирают СО 2.
А энергия едва
В сукциниле появилась,
Сразу АТФ родилась.
И остался сукцинат.
Вот добрался он до ФАДа -
Водороды тому надо.
Водороды потеряв,
Стал он просто фумарат.
Фумарат воды напился,
Да в малат и превратился.
Тут к малату НАД пришел,
Водороды приобрел.
ЩУКа снова объявилась
И тихонько затаилась
Караулить ацетат...
Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевым дыханием, а цепь переноса электронов (ЦПЭ) – дыхательной цепью.
Особенности биологического окисления:
1.Протекает при температуре тела;
2.В присутствии Н2О;
3.Протекает постепенно через многочисленные стадии с участием ферментов-переносчиков, которые снижают энергию активации, происходит уменьшение свободной энергии, в результате чего энергия выделяется порциями. Поэтому окисление не сопровождается повышением температуры и не приводит к взрыву.
Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.
Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нем участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего переносчика и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление О2 и синтез Н2О.