Энергетическая взаимосвязь катаболизма и анаболизма
|
|
АДФ+НРО42-
НАД+
НАДФ+
АТФ
НАДН
|
|
|
Существует три типа обмена веществ:
а. сходящийся катаболический,
б. расходящийся анаболический,
в. циклический.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы общие закономерности взаимосвязи обмена веществ в организме?
2. Утилизация АТФ организмом человека.
3. Роль митохондрий в биоэнегетике и метаболизме?
4. В чем выражается взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков?
5. Напишите химическую схему взаимосвязи белкового и углеводного обмена.
6. Составьте схему перехода от жиров к углеводам.
7. Какие соединения являются связующими при переходе от углеводов к
липидам?
Биомембраны и транспорт.
Первая живая клетка появилась как только образовалась мембрана, которая отделила содержимое клетки от окружающей среды. Мембраны формируют внешнюю границу клетки и регулируют транспорт молекул через эту границу. Они разделяют клетку на дискретные компартаменты, чтобы изолировать процессы и компоненты. Мембраны организуют последовательности сложных реакций, играют центральную роль в накоплении и хранении энергии, осуществлении межклеточных связей. Биологическая активность мембран во многом зависит от их физических свойств.
Мембраны представляют собой достаточно прочные и одновременно эластичные самоизолирующиеся образования, они обладают селективной проницаемостью к полярным растворителям. Их гибкость, эластичность позволяют трансформировать форму в процессе роста клетки и ее движения. Ее способность к изолированности при нарушении целостности клетки обусловлена способностью двух мембран сплавляться.
Мембраны не представляют только пассивный барьер. Они включают массив белков, являющихся промоторами или катализаторами различных молекулярных механизмов. Транспортные белки, встроенные в мембраны, подобно насосам перемещают растворы органических соединений и неорганических ионов через мембрану против градиента концентраций. Преобразователи энергии переводят энергию из одной формы в другую. Рецепторы на плазматической мембране воспринимают внеклеточные сигналы, преобразуя их в молекулярные изменения внутри клетки. Мембраны построены из двух слоев молекул, поэтому они очень тонкие, их можно рассматривать как двумерные системы.
Большое число процессов в клетке связано с мембранами (синтез липидов и определенных белков, преобразование энергии в митохондриях и хлоропластах). Так как межмолекулярные взаимодействия более вероятны в двумерном пространстве, чем трехмерном, эффективность фермент-катализируемых циклов превращений на мембранах существенно увеличивается.
Белки и полярные липиды составляют основную массу биологических мембран, небольшое количество углеводов представлено в гликопротеинах или гликолипидах.
Основные компоненты плазматических мембран.
| Вид | Белок, % | Фосфолипид, % | Др. липиды | Стерол, % | Тип стерола |
| Печень мыши | - | Холестерол | |||
| Лист кукурузы | Галактолипид | Цитостерол | |||
| Дрожжи | Триацилглицеролы | Эргостерол | |||
| E. коли | Стерилсложные эфиры | - |
Каждая мембрана имеет характерный липидный состав, что подтверждается исследованиями методом электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии детергента - додецилсульфата натрия.
Мембраны с различными функциями имеют в своем составе различные белки. Толщина мембран составляет от 5 до 8 нм. Основным структурным элементом мембраны выступает липидный бислой. Мембранные липиды находятся в постоянном движении. Хотя структура липидного бислоя сама по себе устойчива, молекулы индивидуальных фосфолипидов и стеролов имеют большую степень свободы в плоскости мембраны. Они диффундируют так быстро, что молекула индивидуального липида может переместиться, к примеру вокруг эритроцита всего лишь за несколько секунд. Внутренняя часть бислоя может рассматриваться как жидкость, углеводородные цепи жирных кислот находятся в постоянном движении в результате вращения вокруг одинарных С-С связей. Степень жидкостного состояния зависит от состава липидов и температуры. При низких температурах движение липидов замедляется и бислой имеет состояние близкое к паракристаллическому. Температура перехода от паракристаллического состояния к жидкому зависит от состава липидов мембраны. Насыщенные жирные кислоты способствуют образованию паракристаллического состояния. Содержание стеролов также определяет температуру перехода. Жесткие циклические структуры стеролов снижают свободу движения соседних жирнокислотных цепей. С другой стороны при низких температурах они препятствуют компактизации жирнокислотных цепей.
Как микроорганизмы, так и культуры животных клеток регулируют свой липидный состав таким образом, чтобы обеспечивать необходимую жидкую консистенцию в изменяющихся условиях роста.
Жирнокислотный состав клеток Е. коли, выращенных при разных температурах
| Жирная кислота | Процент жирной кислоты | |||
| 10°С | 20°С | 30°С | 40°С | |
| Миристиновая (14:0) | ||||
| Пальметиновая (16:0) | ||||
| Пальметолеиновая (16:1) | ||||
| Олеиновая (18:1) | ||||
| Гидроксимиристиновая | ||||
| Отношение: ненасыщенные к-ты / насыщенные к-ты | 2,90 | 2,00 | 1,60 | 0,38 |
Мембранные белки пронизывают липидный бислой, могут быть фиксированы на внешней или внутренней стороне бислоя. Мембранные белки ориентированы асимметрично, они могут быть разделены на две группы: внутренние (неотъемлемые) и внешние (периферические) белки. Периферические белки могут быть отделены от мембраны путем мягких обработок, они в общем случае растворимы в воде. Напротив внутренние мембранные белки требуют для своего отделения действия ряда агентов (детергентов, органических растворителей или денатурантов). Они образуют нерастворимые в воде агрегаты.
Каждая живая клетка требует для своего существования поступления из окружения питательных веществ для биосинтеза и получения энергии, она выделяет в окружающую среду вторичные продукты метаболизма. Плазматическая мембрана содержит белки, которые распознают и переносят в клетку такие необходимые вещества, как углеводы, аминокислоты и неорганические ионы. В некоторых случаях эти компоненты поступают в клетку против градиента концентрации, т.е. накачиваются в клетку посредством биологических транспортных систем.
Типы транспорта
| Тип транспорта | Носитель белка | Создает конц. градиент | Зависит от энергии | Примеры |
| Простая диффузия | Нет | Нет | Нет | Н2О, О2, N2, CH4 |
| Пассивный транспорт | Да | Нет | Нет | Глюкоза проникает в эритроциты |
| Активный транспорт: Первичный | Да | Да | Да | Н+АТФаза |
| Вторичный | Да | Да | Да | Аминокислоты и сахара |
| Ионные каналы | Да | Нет | Нет | Na+ канал ацетил-холина |
Вопросы для самоконтроля
1. Структура билипидного слоя плазматической мембраны.
2. Зависимость жирнокислотного состава клетки от темпетратуры.
3. С чем связана проницаемость липидных мембран?
4. Особенности транспорта ионов натрия и калия через плазматические мембраны.
Гормональная регуляция.
Существенной характеристикой мультиклеточных организмов является дифференциация клеток и разделение их по виду деятельности. В дополнение к центральным циклам преобразования энергии и вещества, которые имеют место в каждой клетке, органы и ткани сложных организмов, в частности человека, имеют специальные функции и как следствие характеристические требования к питательным веществам и картине метаболизма в целом. Гормональные сигналы интегрируют и координируют метаболическую активность различных тканей, разносят информацию о размещении и распределении энергоемких веществ и веществ-предшественников синтеза биологических макромолекул к каждому органу.
Каждый орган и ткань человеческого тела имеют специализированную функцию, которая отражается в его анатомии и метаболической активности. Скелетные мышцы, используя метаболическую энергию, производят движение, жировая ткань сохраняет жиры, которые служат для запаса энергии, специальные разделы мозга продуцируют электрические сигналы. Печень играет роль центрального химического процессора и распределителя в процессе метаболизма, поставщика смеси питательных веществ посредством кровеносного русла. Глюкоза, поступающая в печень, под действием фермента глюкокиназы фосфорилируется до глюкозы-6-фосфата.