Общие представления об обмене веществ и энергии

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Обмен веществ представляет собой непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением. Иными словами обмен веществ есть диалектическое единство противоположных процессов: ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада), т.е. единство противоположных процессов питания и выделения, усвоения и разрушения, синтеза и распада.

Обмен веществ невозможен без сопутствующего ему обмена энергии. Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенным запасом потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа. Эту энергию называют свободной энергией. Уровни свободной энергии индивидуальных исходных веществ и продуктов реакции, как правило, различны, вследствие чего в процессе преобразования веществ происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, т.е. протекает обмен энергией между веществами. Главнымиматериальными носителями свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется. Нормальными считаются связи, при возникновении или распаде которой уровень свободной энергии составляет около 12,5 кДж/моль. Однако, при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических веществ изменяется в гораздо большей степени и составляет 25-50 кДж/моль и более. Такие соединения называются макроэргическими, а связи, при образовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе вещества – макроэргическимисвязями. В отличие от обычных они обозначаются значком (~). В качестве примеров можно привести АТФ, глицерол-3-фосфат, коэнзим А, креатин-фосфат и др.

Макроэргические вещества выполняют функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ, они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах. Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т.е. в энергию возбужденного состояния молекулы. Наиболее важным макроэргическимсоединением в организме является аденозинтрифосфорная кислота – АТФ:

Биологическое окисление

Совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности, называется биологическим окислением.

Существует два типа окисления: свободное окисление, не сопряженное с фосфорилированием АДФ (его называют еще микросомальное окисление) и окисление, сопряженноес фосфорилированием АДФ.

При свободном окислении высвобождающаяся при распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается. По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами, многие реакции, катализируемые оксидазами. Процессы свободного окисления сосредоточены в цитоплазме, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи.

Свободное окисление выполняет важную функцию модификации чужеродных соединений, например, лекарственных средств, гербицидов, продуктов загрязнения окружающей среды, попадающих в организм с водой, пищей. Многие из них являются канцерогенными. Их гидроксилирование в ходе свободного окисления облегчает последующую деструкцию (разложение) и выведение из организма.

При других видах окисления происходит накопление энергии в макроэргических связях АТФ. Реакция АДФ + Н₃РО₄ ® АТФ + НОН называется реакцией фосфорилирования.Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ, осуществляется двумя способами: путем субстратного фосфорилирования и путем окислительного фосфорилирования.

Если фосфорилирование АДФ происходит за счет разрыва макроэргической связи субстрата, такое фосфорилирование называется субстратным.

Если атомы водорода с коферментов дегидрогеназ, принимающих участие в окислении субстратов, передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряженно с переносом протонов и электронов на молекулярный кислород происходит фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, такое фосфорилирование называется окислительным.

5.2.1Брожение и дыхание

Окисление органических соединений, как уже указывалось, является основным источником энергии в живом организме в целом, и в клетке, в частности.

Окисление органических соединений (углеводов, жиров, белков) в организме может протекать двумя путями: в присутствии кислорода воздуха – этот тип окисления называется аэробным, или дыханием, и в отсутствии кислорода – этот тип окисления называется анаэробным, или брожением.

Общее уравнение дыхания глюкозы, например:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О + 2780 кДж.

Различают три основных типа брожения:

Кроме этих основных видов брожения в природе существуют пропионовокислое, уксуснокислое, ацетоновое и другие виды, но они являются определенным сочетанием основных типов брожение и находят применение или сопровождают технологические процессы в различных отраслях промышленности.

Здесь мы приводим суммарные уравнения реакций аэробного и анаэробного окисления глюкозы. Но процесс окисления, в целом, представляет собой множество последовательно протекающих ферментативных реакций в клетках.

Конечной целью обоих этих процессов является:

а) синтез АТФ за счет утилизации энергии, аккумулированной в углеводах;

б) получение пластических соединений, являющихся исходным материалом для синтеза компонентов клетки.

Гликолиз

Гликолиз–универсальный и основной процесс катаболизма углеводов для большинства организмов, это последовательность реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ.

Важнейшими моносахаридами, катаболизм которых осуществляется по гликолитическому пути, являются Д-глюкоза и Д-фруктоза. Однако и другие моносахариды способны распадаться по пути гликолиза, поскольку они легко превращаются в эти сахара. Гликолиз–процесс анаэробный, однако он может протекать как в отсутствии, так и в присутствии кислорода. Он является ключевым метаболическим путем, генерирующим энергию в форме АТФ в клетках, где отсутствует фотосинтез.

Исследования химизма гликолиза показали, что начальные этапы процессов брожения и дыхания имеют общий путь. Это открытие было уникальным, потому что оно вскрывало существование внутреннего единства живой материи. При дыхании у аэробных организмов гликолиз предшествует циклу трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов. Пируват проникает в митохондрии, где он полностью окисляется до СО₂, в результате чего с высокой эффективностью из гексозы извлекается свободная энергия. При брожении, в анаэробных условиях (дрожжи, молочнокислые бактерии), пируват превращается в продукты брожения (этанол, лактат).

Все реакции гликолиза протекают в цитоплазме клетки и катализируются десятью различными ферментами.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой, относящимся к классу трансферазы:

В дальнейшем остаток фосфорной кислоты будем обозначать символом: .

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой (класс трансферазы):

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза (класс лиазы). Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов, катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно – глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы, дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат, т.е. дальнейшему окислению подвергается 2 молекулы фосфотриозы.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата завершается первая стадия гликолиза.

Вторая стадия включает в себя окислительно-восстановительную реакцию, сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (класс оксидоредуктазы), кофермента НАД⁺ и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАДН:

1,3-бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой (класс трансферазы), при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты:

Данная реакция является реакцией субстратного фосфорилирования.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы под действием фермента фосфоглицеромутазы (класс изомеразы).

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой (класс лиазы):

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэнергетической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ (субстратное фосфорилирование).

Катализируется ферментом пируваткиназой (класс трансферазы):

Далее пути аэробного и анаэробного окисления расходятся.

В анаэробных условиях дальнейшие превращения пирувата приводят к образованию продуктов брожения.

В общем виде схема гликолиза имеет вид (рис.1).

Спиртовое брожение

Превращение пировиноградной кислоты в этанол идет в двух последовательных реакциях. В первой происходит ее декарбоксилирование:

Реакция катализируется пируватдекарбоксилазой (класс лиазы), которая содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат (ТПФ), активную форму витамина В₁.

Вторая реакция состоит в восстановлении ацетальдегида в этанол за счет НАДН:

Реакция катализируется алкогольдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы), коферментом которой является НАДН.

В данной реакции используется тот НАДН, который образовался при гликолизе в шестой реакции, при этом регенерируется НАД⁺. Суммарная реакция спиртового брожения:

Спиртовое брожение является важнейшей стадией в технологии хлеба,спирта, пива, вина.

Рис.1 Схема гликолиза

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение отличается от спиртового тем, что пировиноградная кислота не декарбоксилируется как при спиртовом брожении, а непосредственно восстанавливается лактатдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы) с участием НАДН, образовавшегося при гликолизе в шестой реакции:

Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат:

Молочнокислое брожение является основной стадией в производстве ржаного хлеба, в консервировании овощей и плодов, в изготовлении кисломолочных продуктов.

Молочнокислое брожение играет большую роль в засолке огурцов и помидоров, квашении капусты, мочке яблок. Молочная кислота является консервирующим фактором, предотвращающим развитие посторонней, особенно гнилостной, микрофлоры, придает продукту специфический вкус и аромат.