Макроэргические соединения

Аденозинтрифосфат (АТФ) является нуклеотидом. В состав молекулы АТФ входят азотистое основание - аденин, углевод - рибоза и три остатка фосфорной кислоты (аденин, связанный с рибозой, называется аденозином).

Особенностью молекулы АТФ является то, что второй и третий остатки фосфорной кислоты присоединяются связью, богатой энергией. Такая связь называется высокоэнергетической, или макроэргичес-кой, и обозначается знаком ~. Соединения, имеющие макроэргические связи, обозначаются термином «макроэрги». При использовании АТФ в качестве источника энергии обычно происходит отщепление путем гидролиза последнего остатка фосфорной кислоты.

В физиологических условиях, т. е. при тех условиях, которые имеются в живой клетке (температура, рН, осмотическое давление, концентрация реагирующих веществ и пр.), расщепление моля АТФ (506 г) сопровождается выделением 12 ккал, или 50 кДж* энергии.

Главными потребителями энергии АТФ в организме являются:

• реакции синтеза;

• мышечная деятельность;

• транспорт молекул и ионов через мембраны (например, всасывание веществ из кишечника, образование мочи в почках, формирование и передача нервного импульса и др.).

Таким образом, биологическая роль АТФ заключается в том, что это вещество является универсальным аккумулятором энергии, своего рода энергетической «валютой» клетки. Основным поставщиком АТФ является тканевое дыхание - завершающий этап катаболизма, протекающий в митохондриях всех клеток, кроме эритроцитов.

Тканевое дыхание

Основным типом биологического окисления является тканевоедыхание, протекающее в клеточных митохондриях(в связи с этим тканевое дыхание еще называется митохондриальным окислением.В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молекулярный кислород - 0₂, доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении электронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной молекулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

В качестве субстратов окисления (т. е. веществ, от которых отнимается водород) в тканевом дыхании используются разнообразные промежуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, α-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты).

Цикл Кребса - это завершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А,до С0₂ и Н₂0. В свою очередь, ацетилкофермент А - это универсальный метаболит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры.

Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы:

· Никотинамидные дегидрогеназыотнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему коферменту НАД (никотинамидадениндинуклеотид). В состав одного из нуклеотидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты (иикотинамид, витамин РР),вторым нуклеотидом является адено-зиимоиофосфат(АМФ) Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоединяются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов - никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД переходит в свою восстановленную форму НАДН₂

· Флавиновые дегидрогеназыотщепляют два атома водорода от образовавшегося НАДН₂ и временно присоединяют их к своему коферменту ФМН (флавинмононуклеотид). По строению этот кофермент является мононуклеотидом, содержащим витамин В₂ (рибофлавин). Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАДН₂), присоединяются к флавину, выполняющему роль акцептора водорода. В результате этой стадии образуется восстановленная формакофермента- ФМНН₂:

НАД-Н₂ + ФМН ~- НАД + ФМН-Н₂

· Следующая группа ферментов - цитохромы.Эти ферменты участвуют только в переносе электронов. По строению цитохромы похожи на одну из субъединиц гемоглобина. С помощью цитохромов электроны от восстановленных коферментов ФМНН₂ и ФАД-Н₂ передаются на молекулярный кислород (0₂), который при этом переходит в активную, анионную, форму - О^2-. Далее активный кислород (О²") связывается с ионами водорода (протонами), которые тоже отщепляются от ФМНН₂ или от ФАД-Н₂. Присоединение ионов водорода к аниону кислорода приводит к образованию воды.

Таким образом, на всем протяжении дыхательной цепи наблюдается передвижение электронов. Движение электронов вызвано тем, что все участники дыхательной цепи располагаются по мере возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал, характеризует способность вещества принимать и удерживать электроны. Поэтому электроны переносятся от вещества с низким редокс-потенциалом к веществу с более высоким редокс-потенциалом. Поскольку самое низкое значение редокс-потенциала имеет окисляемое вещество, а самое высокое - кислород, то в итоге электроны от окисляемого вещества поступают на молекулу кислорода.

Около половины энергии движения электронов аккумулируется в макроэргических связях молекул АТФ. Другая часть энергии выделяется в виде тепла. Всего при переносе двух атомов водорода на кислород (т. е. в расчете на одну образовавшуюся молекулу воды) синтезируется три молекулы АТФ.

Образование АТФ в процессе тканевого дыхания часто обозначается терминами: окислительное фосфорилирование, дыхательное фосфорилирование, аэробное фосфорилирование,или аэробный синтез АТФ Всутки в организме за счет тканевого дыхания возникает не менее 40 кг АТФ, а у спортсменов еще больше. Поэтому этот процесс потребляет большое количество окисляемых веществ и кислорода.

Ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и располагаются в ней в виде отдельных скоплений, называемых дыхательными ансамблями.Каждый дыхательный ансамбль содержит все необходимые ферменты для обеспечения переноса электронов в процессе тканевого дыхания. В клетках митохондрии часто располагаются в том месте, где используется энергия АТФ. В мышечных клетках митохондрии находятся около сократительных элементов – миофибрилл - и обеспечивают энергией их сокращение в процессе мышечной работы. Под влиянием систематических тренировок количество митохондрий в мышечных клетках значительно увеличивается.

Анаэробное окисление

В некоторых случаях отнятие атомов водорода от окисляемых веществ происходит в цитоплазме и здесь же отщепленный водород присоединяется не к кислороду (как в случае тканевого дыхания), а к какому-то другому веществу. Наиболее часто таким акцептором водорода является пировиноградная кислота,возникающая при распаде углеводов и аминокислот. В результате присоединения атомов водорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту(лактат). Таким образом, при данном типе окисления вместо конечного продукта - воды - образуется другой конечный продукт – молочная кислота, причем это происходит без потребления кислорода, т. е. анаэробно.За счет выделяющейся при этом энергии в цитоплазме осуществляется синтез АТФ, который получил название анаэробное,или субстратное фосфорилирование,или же анаэробный синтез АТФ.Биологическое назначение данного типа окисления - получение АТФ без участия тканевого дыхания и кислорода.

Синтез гликогена

Глюкоза, используемая для синтеза гликогена, предварительно активируется. Вначале глюкоза взаимодействует с АТФ и превращается в глюкозо-6-фосфат, который затем легко переходит в глюкозо-1 –фосфат. Далее глюкозо-1-фосфат реагирует с УТФ (уридинтрифосфатВ ходе этой реакции отщепляются два остатка фосфорной кислоты в виде дифосфата и образуется очень активная форма глюкозы - уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза). Синтез гликогена осуществляется путем присоединения образовавшейся УДФ-глюкозы к наружным цепям молекул имеющегося в клетках печени гликогена, который называется затравкой. При этом в молекулу гликогена включаются только остатки глюкозы. В результате многократного присоединения остатков глюкозы наружные цепи удлиняются и разветвляются, что ведет к значительному увеличению размера молекул гликогена.

Синтез гликогена может быть описан следующим уравнением:

Освобождающиеся в процессе синтеза гликогена молекулы УДФ вступают в реакцию с АТФ и снова превращаются в УТФ. Синтез гликогена из глюкозы также происходит в мышцах, но его концентрация в них не превышает 2-3%. Образованию гликогена в мышцах способствует пищевая гипергликемия- повышение концентрации глюкозы крови во время приема пищи, обусловленное тем, что часть глюкозы проходит через печень в большой круг кровообращения. Кроме этого, незначительная часть глюкозы может всасываться из кишечника по лимфатической системе и, минуя печень, сразу попадать в большой круг кровообращения.

Распад гликогена

Между приемами пищи гликоген печени расщепляется и превращается в глюкозу, которая выходит в кровь. Этот распад идет с участием фосфорной кислоты и называется фосфоролизом (гликогенезом). Полностью гликоген не расщепляется. Оставшиеся небольшие молекулы гликогена служат в дальнейшем «затравкой» при его синтезе из глюкозы.

В мышцах расщепление гликогена обычно наблюдается при выполнении физической работы. Однако свободная глюкоза здесь не образуется, так как в мышечных клетках нет фермента, вызывающего гидролиз глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-1-фосфат и глюкозо-6-фосфат из-за наличия фосфатного остатка через стенку мышечных клеток проходить не могут, поэтому все дальнейшие превращения этих соединений протекают непосредственно в мышцах и направлены на обеспечение их энергией.

Лекция 3. Обмен углеводов и жиров

Метаболизм глюкозы