Общие и специфические пути метаболизма. Биохимические пути приспособляемости организма к условиям геохимической среды. Структура и функции макромолекул

^ 20.биохимические основы качества силы и пути его развития

Под силой мышц обычно понимается способность преодолевать внешнее сопротивление, либо противодействовать ему посредством мышечных напряжений.

Скоростно-силовые качества главным образом зависят от энергообеспечения работающих мышц и от их структурно-морфологических особенностей, в значительной мере предопределенных генетически.

Проявление силы и быстроты характерно для физических нагрузок, выполняемых в зоне максимальной и субмаксимальной мощности. Следовательно, в энергообеспечении скоростно-силовых качеств преимущественно участвуют анаэробные пути ресинтеза АТФ – креатин-фосфатный и гликолитический.

Быстрее всего развертывается ресинтез АТФ за счет креатинфосфатной реакции. Она достигает своего максимума уже через 1–2 с после начала работы. Максимальная мощность этого способа образования АТФ превышает скорость гликолитического и аэробного путей синтеза АТФ в 1,5 и 3 раза соответственно. Именно за счет креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ мышечные нагрузки выполняются с самой большой силой и скоростью. В свою очередь, величина максимальной скорости креатинфосфатной реакции зависит от содержания в мышечных клетках креатинфосфата и активности фермента креатинкиназы. Увеличить запасы креатинфосфата и активность креатинкиназы возможно за счет использования физических упражнений, приводящих к быстрому исчерпанию в мышцах креатинфосфата.

Для этой цели используются кратковременные упражнения, выполняемые с предельной мощностью. Хороший эффект дает применение интервального метода тренировки, состоящей из серий таких упражнений. Спортсмену предлагается серия из 4–5 упражнений максимальной мощности продолжительностью 8–10 с. Отдых между упражнениями в каждой серии равен 20–30 с. Продолжительность отдыха между сериями составляет 5–6 мин.

Выполнение скоростных и силовых нагрузок в зоне субмаксимальной мощности обеспечивается энергией в основном за счет гликолитического ресинтеза АТФ. Возможности этого способа получения АТФ обусловлены внутримышечными запасами гликогена, активностью ферментов, участвующих в этом процессе, и резистентностью организма к молочной кислоте, образующейся из гликогена. Поэтому для развития скоростно-силовых способностей, базирующихся на гликолитическом энергообеспечении, применяются тренировки, отвечающие следующим требованиям. Во-первых, тренировка должна приводить к резкому снижению содержания гликогена в мышцах с последующей его суперкомпенсацией. Во-вторых, во время тренировки в мышцах и в крови должна накапливаться молочная кислота для последующего развития резистентности к ней организма.

Промежутки отдыха как между отдельными упражнениями, так и между сериями упражнений явно недостаточны для восстановления запасов гликогена, и вследствие этого в ходе тренировки в мышцах происходит постепенное уменьшение содержания гликогена до очень низких величин, что является обязательным условием возникновения выраженной суперкомпенсации.

Структурно-морфологические особенности мышц, определяющие возможности проявления силы и быстроты, касаются строения как отдельных мышечных волокон, так и мышцы в целом. Скоростно-силовые качества отдельного мышечного волокна зависят от количества сократительных элементов – миофибрилл – и от развития саркоплазматической сети, содержащей ионы кальция. Саркоплазматическая сеть также участвует в проведении нервного импульса внутри мышечной клетки. Содержание миофибрилл и развитие саркоплазматической сети неодинаково в мышечных волокнах разных типов. В зависимости от преобладания тех или иных способов образования АТФ, химического состава и микроскопического строения выделяют три основных типа мышечных волокон: тонические, фазические и переходные. Эти типы волокон также различаются по своей возбудимости, времени, скорости и силе сокращения, продолжительности функционирования.

Тонические волокна содержат относительно большое количество митохондрий, в них много миоглобина, но мало сократительных элементов – миофибрилл. Основной механизм ресинтеза АТФ в таких мышечных волокнах – аэробный. Поэтому они сокращаются медленно, развивают небольшую мощность, но зато могут сокращаться длительное время.

Фазические волокна имеют много миофибрилл, хорошо развитую саркоплазматическую сеть, к ним подходит много нервных окончаний. В них хорошо развиты коллагеновые волокна, что способствует их быстрому расслаблению. В их саркоплазме значительны концентрации креатинфосфата и гликогена, высока активность креатинкиназы и ферментов гликолиза. Относительное количество митохондрий в белых волокнах значительно меньше, содержание миоглобина в них низкое, поэтому они имеют бледную окраску. Обеспечение энергией белых мышечных волокон осуществляется за счет креатинфосфатной реакции и гликолиза. Сочетание анаэробных путей ресинтеза АТФ с большим количеством миофибрилл позволяет волокнам данного типа развивать высокую скорость и силу сокращения. Однако вследствие быстрого исчерпания запасов креатинфосфата и гликогена время работы этих волокон ограничено.

Переходные мышечные волокна по своему строению и свойствам занимают промежуточное положение между тоническими и фазическими.

Даже из такого краткого перечисления различий между типами мышечных волокон следует, что для проявления силы и быстроты более предпочтительны белые волокна и близкие к ним по строению переходные волокна. Поэтому более выраженными скоростно-силовыми качествами, при прочих равных условиях, обладают те мышцы, в которых соотношение между мышечными волокнами смещено в сторону белых.

Соотношение между волокнами разных типов в скелетных мышцах неодинаковое. Так, мышцы предплечья, двуглавая мышца плеча, мышцы головы и другие содержат преимущественно физические волокна. Мышцы туловища, прямая мышца живота, прямая мышца бедра в основном содержат тонические волокна. Отсюда легко понять, почему указанные группы мышц существенно различаются по таким свойствам, как возбудимость, быстрота, сила, выносливость.

Соотношение между различными типами мышечных клеток у каждого человека генетически предопределено. Однако, используя физические нагрузки определенного характера, можно целенаправленно вызывать изменение спектра мышечных волокон. За счет применения силовых упражнений происходит смещение этого спектра в сторону преобладания белых волокон, имеющих больший диаметр по сравнению с красными и переходными, что в итоге приводит к гипертрофии тренируемых мышц. Основной причиной гипертрофии в этом случае является увеличение содержания в мышечных клетках сократительных элементов – миофибрилл. Поэтому мышечная гипертрофия, вызываемая силовыми нагрузками, относится к миофибриллярному типу.

Физические нагрузки, применяемые для развития мышечной гипертрофии миофибриллярного типа, на биохимическом уровне должны приводить к повреждению миофибрилл с последующей их суперкомпенсацией. С этой целью используются различные упражнения с отягощением.

Для развития силы часто используется метод повторных упражнений с напряжением 80–90% от максимальной силы. Наиболее эффективное отягощение – 85% от максимальной силы. В этом случае число повторений "до отказа" обычно 7–8. Каждое упражнение выполняется сериями, количество которых колеблется от 5 до 10, с интервалом отдыха между ними в несколько минут. Скорость выполнения упражнений определяется целью тренировки. Для преимущественного увеличения мышечной массы упражнения выполняются в медленном или умеренном темпе. Для одновременного развития силы и быстроты упражнения проводятся во взрывчато-плавном режиме: начальная фаза движения выполняется с большой скоростью, а завершается оно как можно более плавно. Поэтому в скоростно-силовых видах спортсмены в период силовой подготовки должны отказаться от медленного выполнения силовых упражнений, так как в этом случае утрачивается способность мышц к быстрому сокращению.

Время восстановления после скоростно-силовой тренировки составляет 2–3 дня. Однако, меняя мышечные группы, на которые направлены нагрузки, тренировочные занятия можно проводить через меньшие интервалы отдыха.

Обязательным условием эффективной силовой подготовки является полноценное, богатое белками питание, так как миофибриллы состоят исключительно из белков. Имеются данные о том, что развитию мышечной гипертрофии способствует ультрафиолетовое облучение. Предполагается, что под воздействием ультрафиолета увеличивается образование мужских половых гормонов, стимулирующих в организме синтез белков.

21 Биохимические основы быстроты (скорости) как качества двигательной деятельности

Быстрота как двигательное качество – это способность человека совершать двигательное действие в минимальный для данных условий отрезок времени с определенной частотой и импульсивностью. В вопросе о природе этого качества среди специалистов нет единства взглядов. Одни высказывают мысль, что физиологической основой быстроты является лабильность нервно-мышечного аппарата. Другие полагают, что важную роль в проявлении быстроты играет подвижность нервных процессов. Многочисленными исследованиями доказано, что быстрота является комплексным двигательным качеством человека.

Основные формы проявления быстроты человека – время двигательной реакции, время максимально быстрого выполнения одиночного движения, время выполнения движения с максимальной частотой, время выполнения целостного двигательного акта. Выделяют также еще одну форму проявления быстроты («скоростных качеств») – быстрое начало движения (то, что в спортивной практике называют «резкостью»). Практически наибольшее значение имеет скорость целостных двигательных актов (бег, плавание и др.), а не элементарные формы проявления быстроты, хотя скорость целостного движения лишь косвенно характеризует быстроту человека.

Скелетная мышца представляет собой сложную систему, преоб химическую энергию в механическую работу и тепло. Основными компонентами мышечного волокна являются белки: актин и миозин.

При совершении быстрых движений для сокращения мышц требуется большое количество энергии в единицу времени при дефиците кислорода, поэтому основную роль при этом играют анаэробные процессы гидролиза АТФ.

Гидролиз АТФ в АТФазном центре головки миозина сопро изменением конформации последней и переводом ее в новое, высокоэнергетическое состояние. Повторное присоединение миозиновой головки к новому центру на актиновом филаменте вновь приводит к вращению головки, которое обеспечивается за в ней энергией. В каждом цикле соединения и разъ головки миозина с актином расщепляется одна молекула АТФ на каждый мостик. Быстрота вращения определяется скоро расщепления АТФ. Очевидно, что быстрые фазические во потребляют значительно больше АТФ в единицу времени и сохраняют меньше химической энергии во время тонической нагрузки, чем медленные волокна. Таким образом, в процессе хемомеханического преобразования АТФ обеспечивает разъедине головки миозина и актинового филамента и энергетику для дальнейшего взаимодействия головки миозина с другим участком актинового филамента. Эти реакции возможны при концентрации кальция выше 106 моль/л.

Уровень развития быстроты, в конечном итоге, определяет успех в подавляющем большинстве видов спорта. Даже марафонец должен, возможно, быстрее пробежать свою дистанцию, сохраняя высокую «крейсерскую» скорость (под «крейсерской» скоростью подразумевается средняя скорость прохождения дистанции). И успех тяжелоатлета зависит от того, с какой скоростью он сумеет выполнить необходимое движение.

Быстрота определяется:

а) путем измерения скорости движения в ответ на определенный сигнал реакциометрами различной конструкции;

б) по количеству движений за установленное время незагруженной конечностью или туловищем в границах определенной амплитуды;

в) по времени преодоления установленного короткого расстояния (например, бега на 20, 30 м);

г) по скорости выполнения однократного движения в сложном действии,например отталкивания в прыжках, движения плечевого пояса и руки в метаниях, удара в боксе, начального движения бегуна на короткие дистанции, движений гимнаста и др.

Все проявления быстроты эффективно развиваются при игре в баскетбол. Можно также порекомендовать ручной мяч, настольный теннис, подвижные игры с быстро меняющейся игровой ситуацией и быстрым передвижением. Главная задача при воспитании быстроты состоит в том, чтобы спортсмен преждевременно не специализировался в каком-либо одном упражнении скоростного характера, чтобы не включать в большом объеме однотипное повторение этого упражнения. Поэтому столь важно, чтобы спортсмены применяли скоростные упражнения возможно чаще в форме состязания или игры. В программу занятий должны входить в значительном объеме такие скоростные упражнения, как спринтерский бег со старта и с хода, бег с ускорением, прыжки в длину и высоту с предельно быстрым отталкиванием, метание облегченных снарядов, подвижные и спортивные игры, предельно быстро выполняемые акробатические упражнения и разнообразные специальные подготовительные упражнения.

Важное значение для воспитания быстроты и повышения скорости движений имеет правильное определение дозировки скоростных упражнений. Те из них, которые выполняются с максимальной интенсивностью, являются сильно действующим средством, вызывающим быстрое утомление. Это же относится и к упражнениям, направленным на повышение скорости движений. Поэтому упражнения, выполняемые с максимальной скоростью, должны применяться часто, но в относительно небольшом объеме. Длительность интервалов отдыха обусловлена степенью возбудимости центральной нервной системы и восстановлением показателей вегетативных функций, связанных с ликвидацией кислородного дефицита. Тренировочную работу для развития быстроты следует заканчивать, как только субъективные ощущения спортсмена или показания секундомера скажут об уменьшении установленной или максимальной быстроты.

22.биохимические основы качества выносливости к длительным нагрузкам и пути его развития

Выносливость – важнейшее двигательное качество, от уровня развития которого во многом зависят достижения атлета. Выносливость можно определить как время работы с заданной мощностью до появления утомления.

В соответствии с характером выполняемой работы выделяют общую и специальную выносливость. Общая выносливость отражает способность спортсмена выполнять неспецифические нагрузки. Такими нагрузками, например, для футболиста могут быть кросс, лыжные гонки, плавание, подвижные игры и т.п., а также выполнение физической работы бытового характера. Специальная выносливость характеризует выполнение физических нагрузок, специфических для определенного вида спорта и требующих технической, тактической и психологической подготовки спортсмена.

Первостепенное значение для проявления выносливости имеет уровень развития молекулярных механизмов образования АТФ – непосредственного источника энергии для обеспечения мышечного сокращения и расслабления

В зависимости от способа энергообеспечения выполняемой работы выделяют алактатную, лактатную и аэробную выносливость. Нередко используются термины." алактатиый, лактатный и аэробный компоненты выносливости.

Алактатная выносливость характеризуется наибольшим временем работы в зоне максимальной мощности. В зависимости от вида нагрузки можно выделить скоростную, скорости о-силовую и силовую алактатную выносливость. Главным источником энергии при мышечной работе максимальной мощности является креатинфосфатная реакция. Поэтому развитие алактатной выносливости обусловлено внутримышечными запасами креатинфосфата. Как уже отмечалось, более богаты креатинфосфатом белые мышечные волокна. В связи с этим большей алактатной выносливостью обладают мышцы с преобладанием белых волокон. Содержание креатинфосфата в мышцах можно существенно повысить, используя специальные упражнения. Принцип построения такой тренировки в интервальном режиме был описан выше, при рассмотрении энергообеспечения скоростно-силовых качеств.

Биохимическая оценка алактатной выносливости может быть дана путем определения суточного выделения с мочой креатинина. Этот показатель характеризует общие запасы в организме креатинфосфата. Рост алактатной выносливости обычно сопровождается увеличением суточного выделения креатинина. Другим критерием, характеризующим развитие алактатной выносливости, является алактатный кислородный долг, измеренный после завершения работы максимальной мощности.

Лактатная выносливость характеризует выполнение физических нагрузок в зоне субмаксимальной мощности. Основным источником энергии при работе с такой мощностью служит анаэробный распад мышечного гликогена до молочной кислоты, называемый гликолизом. Возможности гликолитического способа получения АТФ в значительной степени зависят от запасов мышечного гликогена. Чем выше дорабочая концентрация гликогена в мышцах, тем дольше он будет использоваться в гликолизе. Отсюда следует, что мышцы с преобладанием белых, богатых креатинфосфатом и гликогеном волокон обладают также и выраженной лактатной выносливостью. Другим фактором, определяющим лактатную выносливость, является резистентность мышечных клеток и всего организма в целом к возрастанию кислотности вследствие накопления лактата в мышцах и в крови.

Исходя из такой зависимости тренировки, направленные на развитие лактатной выносливости, строятся так, чтобы обеспечить выполнение двух задач. Во-первых, за счет выполняемых физических нагрузок в мышцах должно увеличиваться содержание гликогена. Во-вторых, тренировочные занятия должны привести к возникновению резистентности к накоплению лактата и повышению кислотности.

С этой целью применяются упражнения, вызывающие, с одной стороны, значительное исчерпание запасов мышечного гликогена, что является необходимым условием для его последующей суперкомпенсации, а с другой – приводящие к образованию больших количеств молочной кислоты. Таковыми являются физические нагрузки субмаксимальной мощности, выполняемые в интервальном или повторном режиме. Тренировка такого типа описана выше, при рассмотрении энергообеспечения скоростно-силовых качеств. В зависимости от характера применяемых нагрузок можно преимущественно развивать силовой или скоростной компонент лактатной выносливости.

Ведущим биохимическим показателем проявления лактатной выносливости при работе является накопление лактата в крови. Определение концентрации молочной кислоты в крови проводят после выполнения физической работы субмаксимальной мощности "до отказа". Высокий уровень концентрации молочной кислоты в крови свидетельствует об использовании для получения энергии во время работы больших количеств мышечного гликогена и развитии резистентности к возрастанию кислотности.

Такую же информацию можно получить, определяя в крови после субмаксимальных нагрузок изменение кислотно-щелочного баланса. В этом случае высокой лактатной выносливости соответствует значительный сдвиг водородного показателя крови в кислую сторону. Еще одним показателем развития лактатной выносливости может служить лактатный кислородный долг, измеренный после выполнения работы субмаксимальной мощности "до отказа". Чем выше значение этого показателя, тем больше вклад анаэробного распада гликогена в энергообеспечение проделанной работы. У спортсменов с хорошей физической подготовкой величины лактатного кислородного долга могут достигать 18–20 л.

В спортивной практике очень часто алактатную и лактатную выносливость объединяют в анаэробную.

Аэробная выносливость проявляется при выполнении продолжительных упражнений умеренной мощности, которые главным образом обеспечиваются энергией за счет аэробного окисления. Вклад анаэробного энергообразования ограничивается лишь начальным периодом врабатывания. В спортивной литературе зачастую под термином "выносливость" подразумевается именно аэробная выносливость.

Аэробная выносливость определяется тремя главнейшими факторами: запасами в организме доступных источников энергии, доставкой кислорода в работающие мышцы и развитием в работающих мышцах митохондриального окисления.

В качестве источников энергии обычно используются углеводы, жирные кислоты, кетоновые тела и аминокислоты. Вследствие большой продолжительности аэробной работы эти энергетические субстраты доставляются в мышцы кровью, так как собственные энергетические ресурсы мышечных клеток расходуются в начале работы.

В обеспечении мышц источниками энергии существенная роль принадлежит печени. Именно здесь во время выполнения длительных нагрузок происходит распад гликогена до глюкозы, которая затем с током крови поступает в скелетные мышцы и другие органы, участвующие в обеспечении мышечной деятельности. Другой процесс, протекающий в печени во время работы, окисление жирных кислот, сопровождающееся образованием кетоновых тел, которые также являются важными источниками энергии. Кроме того, в печени во время работы протекают и другие химические процессы, способствующие выполнению мышечной работы. В связи с такой важной ролью печени в обеспечении физической работы в спортивной практике применяют гепатопротекторы – фармакологические средства, улучшающие функционирование печени и ускоряющие в ней процессы восстановления.

Доставка кислорода в мышцы осуществляется кардиореспираторной системой. Поэтому для проявления аэробной выносливости исключительно важное значение имеет функциональное состояние сердечнососудистой и дыхательной систем, кислородная емкость крови, обусловленная количеством эритроцитов и содержанием в них гемоглобина.

Развитие аэробной выносливости в значительной мере определяется также состоянием нервно-гормональной регуляции. Ведущую роль в этой регуляции выполняют надпочечники, выделяющие в кровь катехолстины и глюкокортикоиды – гормоны, вызывающие перестройку организма, направленную на создание оптимальных условий для мышечной деятельности. Для проявления аэробной выносливости важна способность надпочечников в течение длительного времени поддерживать в кровяном русле повышенную концентрацию этих гормонов.

Внутримышечными факторами, ответственными за аэробную выносливость, являются размер и количество митохондрий – внутриклеточных структур, в которых при участии кислорода происходит синтез АТФ, а также содержание миоглобина – мышечного белка, обеспечивающего внутри мышечных волокон перенос кислорода к митохондриям. Как уже отмечалось, более высоким содержанием митохондрий и миоглобина характеризуются красные мышечные волокна. Отсюда вытекает, что более высокая аэробная выносливость наблюдается в мышцах с преобладанием красных волокон.

Аэробная выносливость в отличие от анаэробной менее специфична. Это обусловлено тем, что ее в большой мере лимитируют различные внемышечные факторы: функциональное состояние кардиореспираторной системы, печени и нервно-гормональной регуляции, кислородная емкость крови, запасы в организме легкодоступных источников энергии. Поэтому спортсмен, имеющий хороший уровень аэробной выносливости, может проявить ее не только в том виде деятельности, где он прошел специализированную подготовку, но и в других видах аэробной работы. Например, квалифицированный футболист может показать хороший результат в беге на длинные дистанции.

Многофакторность аэробной выносливости требует применения комплекса разнообразных тренировочных средств, поскольку каждое конкретное занятие, вызывая достаточно разностороннее воздействие на организм, все же преимущественно совершенствует одну какую-либо сторону функциональных возможностей. В итоге, тренировки, направленные на развитие аэробной выносливости, должны обеспечить повышение работоспособности кардиореспираторной системы, способствовать увеличению количества эритроцитов в крови и содержанию в них гемоглобина, росту концентрации миоглобина в мышечных клетках, лучшему обеспечению работающих органов энергетическими субстратами.

С этой целью применяются различные варианты повторной и интервальной тренировки, а также непрерывная длительная работа равномерной или переменной мощности.

В качестве примера построения тренировочных занятий, направленных на развитие аэробной выносливости, можно привести так называемую циркуляторную интервальную тренировку. Этот метод заключается в чередовании кратковременных упражнений небольшой интенсивности и длительностью от 30 до 90 с с интервалами отдыха такой же продолжительности. Такая работа стимулирует аэробное энергообеспечение мышечной деятельности и приводит к улучшению показателей кардиореспираторной системы.

Для повышения содержания в мышцах миоглобина может быть использована миоглобиновая интервальная тренировка. Спортсменам предлагаются очень короткие нагрузки средней интенсивности, чередуемые с такими же короткими промежутками отдыха. Выполняемые кратковременные нагрузки в основном обеспечиваются кислородом, который депонирован в мышечных клетках в форме комплекса с миоглобином. Короткий отдых между упражнениями достаточен для восполнения запасов кислорода.

Для увеличения кислородной емкости крови, а также для повышения концентрации миоглобина хороший эффект дают тренировки в условиях среднегорья.

Особенностью развития аэробной выносливости является возможность использования неспецифических упражнений, и в первую очередь подвижных игр, что позволяет сделать тренировочный процесс разнообразным и интересным.

Важную информацию для оценки аэробной выносливости можно Получить путем определения содержания и соотношения в крови основных энергетических субстратов в ходе выполнения продолжительной работы. У нетренированных людей между содержанием в крови глюкозы и продуктов мобилизации жира существуют реципрокные отношения. Высокая концентрация глюкозы в крови препятствует мобилизации жира из депо. Поэтому у нетренированных людей повышение содержания в крови жирных кислот, глицерина и кетоновых тел наблюдается только на фоне снижения концентрации глюкозы. У спортсменов, хорошо тренированных в аэробном режиме, мощная мобилизация жира отмечается на фоне не только нормального, но и повышенного содержания глюкозы в крови. Повышенная утилизация жира и кетоновых тел позволяет организму не только сохранить углеводы печени и крови, но и замедлить расходование мышечного гликогена, снижение концентрации которого является одним из факторов развития утомления.

В заключение необходимо отметить, что все компоненты выносливости наряду с рассмотренными выше энергетическими и структурными факторами в значительной мере зависят от технической, тактической и психологической подготовки. Хорошая техническая подготовка, правильно избранная тактика позволяет спортсмену экономно и рационально использовать энергетические резервы и тем самым дольше сохранять работоспособность. За счет высокой мотивации, большой силы воли спортсмен может продолжать выполнение работы даже в условиях наступления в организме значительных биохимических и функциональных сдвигов.

4.1 Биохимические пути окисления глюкозы..doc

ДЫХАНИЕ
В этой главе рассматриваются процесс аэробного дыхания, в котором осво-бождаемая при окислении углеводов свободная энергия преобразуется в энер-гию, заключенную в молекулах АТФ, а также механизмы, позволяющие растению контролировать энергетический статус клетки. Особое внимание уделе-но особенностям растений, связанным с наличием альтернативных путей в дыхательном метаболизме. Кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с генерацией клеткой активных форм кислорода.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы, которые транс-портируются из листьев в другие органы. На свету и в темноте клетки растения «дышат», окисляя углеводы молекулярным кислородом с образованием СО 2 и воды. При этом освобождается большое количество свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + энергия;
∆G = -2882 кДж/моль (-686 ккал/моль)

Эта формула в общем виде отражает чрезвычайно сложный, а главное, кон-тролируемый процесс, который условно можно разбить на три этапа: гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи (рис. 4.1).

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот - это биохимические пути окисле-ния глюкозы, протекающие соответственно в цитозоле и матриксе митохонд-рий. В биохимических реакциях синтезируется небольшое количество АТФ, и главный их результат - образование соединений с высоким восстановитель-ным потенциалом - НАДН и ФАДН 2 . На заключительном этапе восстановительные эквиваленты окисляются в электрон-транспортной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электрона в цепи за-вершается восстановлением кислорода до воды. В процессе электронного транспорта на мембране образуется электрохимический протонный градиент Δ
, энергия которого используется для синтеза АТФ из АДФ и Ф н. Процесс, в котором работа дыхательной цепи сопряжена с синтезом АТФ, получил на-звание окислительного фосфорилирования. Именно в этом процессе синтезиру-ется основная масса АТФ, образуемого при дыхании.

И у растений, и у животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии - Δ и АТФ. Вторая, не менее важная функция - снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т. е. рассеиванием энергии в виде тепла. Про-цесс дыхания принципиально сходен у животных и растений, но у последних имеет свои особенности. Все вместе они отражают пластичность растительного метаболизма и связаны с функционированием, наряду с основными, альтер-нативных ферментов и реакций. Наличие альтернативных путей расширяет адап-тивные возможности растений, но усложняет (с точки зрения исследователя) систему регуляции метаболических процессов.

Рис. 4.1. Основные этапы дыхания.

Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД + , синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до СО 2 в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН 2 , а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива-ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

^ 4.1. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПУТИ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ
4.1.1. СТРУКТУРА МИТОХОНДРИЙ

Основные события, связанные с дыханием, происходят в митохондриях. Растительные митохондрии, как правило, сферической или цилиндрической формы, их число может сильно варьировать в зависимости от метаболической активности клетки. Две мембраны, наружная и внутренняя, делят митохонд-рию на два функциональных компартмента - межмембранное пространство и матрикс (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структура митохондрий
Особые белки, называемые поринами, образуют в наружной мембране крупные гидрофильные каналы, или поры, через которые в меж-мембранное пространство из цитозоля свободно могут проникать соединения с молекулярной массой не более 10 кДа. Это практически все основные мета-болиты клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, кри-сты, которые увеличивают ее поверхность. Во внутреннюю мембрану интегри-рованы электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) и АТФ-синтаза. В отличие от дру-гих клеточных мембран внутренняя мембрана митохондрий обогащена белком (75 %) и содержит особый фосфолипид (дифосфатидилглицерол) - кардиолипин. Она пропускает газы, воду и небольшие липофильные молекулы, но непроницаема для заряженных молекул и ионов, что является обязательным условием ее функционирования как сопрягающей мембраны. Однако в мемб-ране есть белки - транспортеры, с помощью которых возможен обмен мета-болитами между матриксом и цитозолем (см. подразд. 4.1.8 и 4.2.11). Матрикс, т. е. окруженное внутренней мембраной пространство, содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот.
^ 4.1.2. ГЛЮКОЗА - ОСНОВНОЙ СУБСТРАТ ДЫХАНИЯ У РАСТЕНИЙ

Основным субстратом дыхания у растений являются глюкоза и ее произ-водные, хотя в особых случаях дыхание могут поддерживать белки и жиры, запасенные в семенах. Глюкоза образуется в клетках растений при гидролизе крахмала и сахарозы - продуктов фотосинтеза. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы - это длинные, неразветвленные цепи α-D-глюкопиранозных остатков, соеди-ненных гликозидными α(1→4)-связями. Молекулы амилопектина также представлены цепями α -D-глюкопиранозных остатков, которые в точке ветвления образуют а(1→6)-связь. Крахмал как запасный полисахарид накапливается в хлоропластах и пластидах гетеротрофных тканей. Некоторые растения - топи-намбур (Heliantus tuberosus ), георгин (Dahlia sp .) в качестве запасных углеводов могут использовать инулин и гемицеллюлозы. Сахароза - это дисахарид, обра-зованный остатками глюкозы и фруктозы. Она синтезируется в цитозоле, из фотосинтезирующих клеток по апопласту листа и сосудам флоэмы транспор-тируется в другие органы растения.

Крахмал расщепляется до моносахаридов при участии ряда ферментов (α- и β-амилазы, α-1,6-глюкозидазы, крахмалфосфорилазы и др.) с образованием D-глюкозы или D-глюкозо-1-фосфата. Распад сахарозы может идти при обра-щении реакций ее синтеза, но в основном происходит в результате гидролиза при участии фермента инвертазы:

Сахароза + Н 2 О → фруктоза + глюкоза

В геноме таких растений, как томат (Lycopersicon esculentum ), кукуруза (Zea mays ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), морковь (Dancus carota ), обнаружено целое семейство ядерных генов, кодирующих разные изоформы инвертазы. Например, у моркови кислые инвертазы (оптимум рН 4,5 - 5,0) в пяти разных изоформах присутствуют в вакуоли и клеточной стенке. В цитозоле есть нейт-ральная инвертаза (оптимум рН 7,0-8,0), которая также может иметь несколько изоформ. Таким образом, у растений гидролиз сахарозы может идти в разных клеточных компартментах и контролируется сложным образом через актив-ность инвертаз, обладающих разными свойствами.
^ 4.1.3. ГЛИКОЛИЗ - ПЕРВЫЙ ЭТАП ДЫХАНИЯ

Гликолиз - это универсальная последовательность реакций, общая для всех известных науке организмов, в ходе этих реакций глюкоза последовательно окисляется до пирувата. Окисление сопровождается образованием двух моле-кул НАДН и синтезом 2 молекул АТФ. Несомненно, что гликолиз - эволюционно самый ранний из известных способов получения энергии, и единствен-ный для многих анаэробных бактерий. В аэробный метаболизм гликолиз вклю-чен как начальный этап окисления глюкозы.

Реакции гликолиза (рис. 4.3) протекают в цитозоле и катализируются фер-ментами, легко экстрагируемыми из клеток. Вначале богатая энергией, но ста-бильная молекула глюкозы фосфорилируется за счет АТФ в реакции (1), ката-лизируемой гексокиназой. Образованный глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (2) и еще раз фосфорилируется до фруктозо-1,6-бисфосфата с использованием еще одной молекулы АТФ (3). Эта необратимая реак-ция, ключевая в регуляции гликолиза (см. подразд. 4.1.7), имеет у растений следующую особенность. Если у животных данную реакцию катализирует толь-ко один фермент -

^ АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (3), то в клетках рас-тений на этой стадии действуют сразу два фермента. Помимо АТФ-зависимой фосфофруктокиназы растения содержат также пирофосфатзависимую фосфофруктокиназу, которая катализирует фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, используя не АТФ, а пирофосфат (4).

Рис. 4.3. Реакции гликолиза.

Реакции 1- 17 катализируют следующие ферменты: 1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизомераза; 3 - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (АТФ: В-фруктозо-6-фосфат-1-фосфотрансфераза); 4 - ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа; 5 - фруктозо-1,6-бисфосфат альдолаза; 6 - триозофосфатизомераза; 7 - глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа; 8 - фосфоглицераткиназа; 9 - фосфоглицеромутаза; 10 - енолаза; 11 - пируваткиназа (АТФ пируват-фосфотрансфераза); 12 - пируваткарбоксилаза; 13, 14 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа; 15 - ФЕП-карбоксикиназа;

16 - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; 17 - глюкозо-6-фосфатаза;→ - необратимая реакция;

↔ - обратимая реакция; ∙∙∙∙∙∙ - обходные реакции при обращении гликолиза;

Фосфатная группа:

Впервые этот фермент был обнаружен у пропионовокислых бактерий в начале 1980-х гг. в листьях ананаса (Ananas comosus ), а затем и в других растительных объектах.

Цитозоль растительных клеток содержит пирофосфат (ФФ Н) в довольно высокой и устойчивой концентрации, который в ряде случаев выступает как энергетический эквивалент, или как донор фосфатных групп. ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа способна катализировать реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата в обоих направлениях, работая либо на синтез ФФ Н либо на его удаление. Предполагается, что таким образом контролируется пул ФФ Н в цитозоле.

Отрицательно заряженные фосфатные группы в молекуле фруктозо-1,6-бис-фосфата облегчают ее распад при участии альдолазы на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА) (5). Последний легко изомеризуется в ФГА (6). На этой реакции завершается первая стадия гликолиза: при использовании двух молекул АТФ глюкоза фосфорилируется и расщепля-ется на две половинки - фосфотриозы, которые в дальнейшем подвергаются одинаковым превращениям.

Вторая стадия гликолиза включает окислительно-восстановительные реак-ции, в которых образуются НАДН и АТФ. Окисление 3-фосфоглицеринового альдегида (7) катализирует глицералъдегид-3-фосфат дегидрогеназа. В ходе этой сложной реакции, которая идет через образование фермент-субстратного ком-плекса, восстанавливается НАДН и образуется

1,3-дифосфоглицериновая кис-лота (1,3-ФГК). Последняя представляет собой высокоэнергетическое соеди-нение, в молекуле которого есть макроэргическая фосфатная связь. Синтез АТФ осуществляется при переносе фосфатной группы от 1,3-ФГК на АДФ в реакции (8), катализируемой фосфоглицераткиназой. Таким образом, АТФ син-тезируется в результате совместного действия двух реакций, в первой из кото-рых макроэргическая связь образуется на молекуле окисляемого субстрата. По-этому такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфорилиро-вания. В следующей реакции (9) 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, от которой при участии енолазы отщепляется молекула воды (10). В результате этой реакции вновь образуется высокоэнерге-тическое соединение - фосфоенолпируват (ФЕП). Второе субстратное фосфорилирование связано с переносом фосфатной группы от ФЕП на АДФ, ката-лизируемом пируваткиназой (11). Образованный пируват является конечным продуктом гликолиза.

У растений обнаружены ферменты, при участии которых возможен «обход» некоторых реакций гликолиза. Так, в клетках растений есть НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, катализирующая реакцию

3-ФГА + НАДФ + + Н 2 ^ О → 3-ФГК + НАДФН + 2Н +

В вакуолях некоторых растений (у Catharanthus roseus , Cupinus albus , Brassica nigra , Allium сера) обнаружена ФЕП-фосфатаза, катализирующая реакцию

ФЕП + Н 2 О
Пируват + Ф н

Оба альтернативных фермента активируются при фосфорном голодании.

Энергетический выход гликолиза небольшой. Если учесть, что на первом этапе активация глюкозы связана с расходом двух молекул АТФ, суммарный баланс можно выразить через уравнение

Глюкоза + 2НАД + + 2Ф Н + 2АДФ→ 2Пируват + 2НАДН + 2Н + + 2АТФ + 2Н 2 О

У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, проте-кает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изофор-мы

АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена из-за высокой концентра-ции АТФ (см. подразд. 4.1.7). Пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа не обнаружена в хлоропластах и пластидах.

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН ис-пользуются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах. Следует также иметь в виду, что пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.

При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений глико-лиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. Обычно сначала при участии лактатдегидрогеназы образуется молочная кислота:

Пируват + НАДН + Н
Лактат + НАД

При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при рН > 7,0 находится в неактив-ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:

Пируват Ацетальдегид + СО 2 ;
Ацетальдегид + НАДН + Н + Этанол + НАД +

Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж-клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточ-ного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выжи-вают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы (Zea mays ) и табака (Nicotiana tabacum ) спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с дыханием.
^ 4.1.4. СИНТЕЗ САХАРОВ ПРИ ОБРАЩЕНИИ ГЛИКОЛИЗА

Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза:

Глюкоза
Пируват
Глюкоза
Пируват

Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые киназами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с помощью других ферментов и реакций (см. рис. 4.3). Для обращения реакции, катализируемой пируваткиназой, и получения ФЕП из пирувата необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозоля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при уча-стии пируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12) с образованием оксалоацетата (ОАА). В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата (13) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, ко-торая идет в направлении синтеза малата, так как соотношение НАДН/НАД в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется до ОАА (14). И наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависи-мой реакции, катализируемой

^ ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (16 и 17), катализируемых гексокина-зой и фосфофруктокиназами, достигается при действии соответствующих фосфатаз. Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза, возможен синтез сахарозы при участии сахарозофосфатсинтазы. Таким образом, в мета-болизме растений существует способ синтеза Сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семенах тех растений, в которых запасными соединениями являются жиры (см. подразд. 4.1.9).
4.1,5. ОБРАЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ, АТФ И СО 2 ^ В ЦИКЛЕ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энер-гии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюко-за. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СО 2 .

Сначала окисление пирувата катализирует сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис. 4.4). В его состав входят три фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилтрансацетилаза, дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат - витамин В 1 , липоевая кислота, НАД, ФАД и коэнзим А).

В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоА-SH) - сложная молекула, в составе которой есть активная SH-группа. Коэнзим А функциони-рует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментатив-ных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле

Ацетил-СоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата (7) пируватдегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД до НАДН, отщеплением СО 2 и образованием ацетил-СоА. Ацетил-СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестя-щих работ, выполненных в лаборатории английского биохимика Г. А. Кребса в 30-х гг. XX в. на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК - универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных орга-низмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.

Рис. 4.4. Окисление пирувата в матриксе митохондрий через пируватдегидрогеназный

Комплекс и цикл трикарбоновых кислот.

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается выделением СО 2 , восстановле-нием НАДН и синтезом ацетил-СоА. В реакции, катализируемой цитратсинтазой, ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата. В ЦТК цитрат окисляется с выделением двух молекул СО 2 , в результате вновь синтезируется оксалоацетат. В реакциях ЦТК образу-ются 3 НАДН и 1 ФАДН 2 , а также синтезируется 1 АТФ. Образованный оксалоацетат вновь реагирует с ацетил-СоА, запуская следующий оборот цикла. Реакции 1- 9 1 - пируватдегидрогеназный комплекс; 2 - цитратсинтаза; 3 - аконитаза; 4 - НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа; 5 - α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс; б - сукцинил-СоА-синтетаза; 7 - сукцинатдегидрогеназа; 8 - фумараза; 9 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа
Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сна-чала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализи-руются одним ферментом - аконитазой. Далее следуют две реакции окисли-тельного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД и выделением СО 2 . Сначала НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа окис-ляет изоцитрат (4) с образованием α-кетоглутарата, СО 2 и НАДН. Эта самая медленная реакция определяет скорость оборота всего цикла. Образованный α-кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО 2 и сукцинил-СоА. Далее сукцинил-СоА-синтетаза катализирует превращение сукцинил-СоА в сукцинат (6), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинил-СоА. Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ (животные).

Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фер-мент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи - комплекс II. В ходе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, кото-рая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДН 2 прямо уходят в дыхательную цепь. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа - это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи (см. подразд. 4.2.3). Далее фумараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И наконец, цикл замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Это третья реакция цикла, в которой генери-руются НАДН. Хотя данная реакция легкообратима, in vivo ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Сдвиг происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя большинство реакций цикла об-ратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, физиологически необратимы и контролируют на-правление цикла.

Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисления глюкозы, начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СО 2 . Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, восста-новлением ФАД и синтезом одной молекулы АТФ.

Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ. Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхатель-ной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДН 2 - двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. подразд. 4.2.6 и 4.2.9). При полном окислении глюкозы 2НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8НАДН и 2ФАДН 2 - в матриксе при окислении двух молекул пирувата. При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фосфорилирования (2 АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра достаточно приблизительна и скорее всего завышена. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН, может быть меньше трех (см. подразд. 4.2.7).
^ 4.1.6. ОСОБЕННОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ МИТОХОНДРИЙ - ПРИСУТСТВИЕ МАЛИК-ЭНЗИМА

Стабильная работы ЦТК во многом зависит от концентрации промежуточ-ных соединений, а значит, и от процессов, связанных с их удалением или, наоборот, вовлечением в цикл. Многие интермедиаты цикла активно из него уходят и используются в различных реакциях в цитозоле (см. подразд. 4.1.8). В связи с этим важное значение имеют так называемые анаплеротические реак-ции, которые катализируют взаимопревращение продуктов гликолиза и ЦТК, и при необходимости «подкармливают» цикл, пополняя пулы промежуточных соединений.

Так, ФЕП-карбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из ФЕП:

ФЕП + НСО
ОАА + Ф н

Как уже было показано (см. подразд. 4.1.4; рис. 4.3), оксалоацетат может быть также синтезирован из пирувата при участии пируваткарбоксилазы:

Пируват + С0 2 + АТФ
ОАА + АДФ + Ф н

Малатдегидрогеназа катализирует легко обратимое взаимопревращение оксалоацетата и малата:

Малат + НАД + ОАА + НАДН + Н

Особый интерес вызывает функционирование в растительной клетке малик-энзима, который катализирует окислительное декарбоксилирование малата:

Малат + НАД + Пируват + СО 2 + НАДН + Н
У растений малик-энзим присутствует не только в цитозоле, но и в митохон-дриях

(НАД + -зависимая изоформа) и хлоропластах (НАДФ + -зависимая изоформа). Наличие этого фермента в митохондриях делает возможным получать пиру-ват из малата и тем самым обходить последнюю реакцию гликолиза (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Альтернативные пути образования пирувата в растительной клетке.

Образованный в гликолизе фосфоенолпируват (ФЕП) может метаболизировать с образованием пирувата или малата. ФЕП-карбоксилаза катализирует взаимодействие ФЕП с НСО с образова-нием оксалоацетата, который превращается в малат. Малат, как и пируват, поступает в митохонд-рии и может поддерживать ЦТК, превращаясь в пируват при участии малик-энзима. Реакции 1 - 7 катализируют ферменты: 1 - пируваткиназа; 2 - ФЕП-карбоксилаза; 3 - малатдегидрогеназа в цитозоле; 4 - малатдегидрогеназа в митохондриях; 5 - малик-энзим; 6 - пируватдегид-рогеназный комплекс; 7 - цитратсинтаза
Действительно, образованный в гликолизе ФЕП является субстратом сразу двух реакций. При участии пируваткиназы он превращается в пируват (1), а при участии ФЕП-карбоксилазы - в оксалоацетат (2). Последний легко воестанавливается до малата (5). Поступив в митохондрии, малат либо сразу включается в ЦТК, либо окисляется малик-энзимом до пирувата (5). На самом деле не совсем понятно, насколько этот альтернативный способ образования пиру-вата из малата используется in vivo в нормальной физиологической ситуации. Сообщалось, что этот путь активируется у некоторых растений при фосфор-ном голодании. Возможно, он включается при регуляторном подавлении актив-ности пируваткиназы (см. подразд. 4.1.7). Тем не менее дублирование реакций, связанных с синтезом пирувата, отражает пластичность растительного метабо-лизма и, безусловно, расширяет их адаптивные возможности. Так, трансгенные растения табака (Nicotiana tabacum ), лишенные пируваткиназы, выживали и поддерживали нормальный метаболизм за счет этого обходного пути.
^ 4.1.7. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ РЕГУЛИРУЕТСЯ КЛЮЧЕВЫМИ МЕТАБОЛИТАМИ И ПОДЧИНЕН КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ

В гликолизе и ЦТК действуют несколько ключевых реакций, благодаря ко-торым весь процесс окисления глюкозы от начала до конца является контро-лируемым. Наиболее важная точка контроля - реакции гликолиза, связанные с I превращением фруктозо-6-фосфата во

Фруктозо-1,6-бисфосфат и обратно. Все ферменты, участвующие в прямой и обратной реакциях, подвержены аллостерической регуляции (рис. 4.6). В клетках животных АТФ-зависимая фосфофруктокиназа активируется АДФ и подавляется АТФ, тогда как в клетках растений этот фермент активируется ионом фосфата, а ингибируется ФЕП. Обратная реакция, катализируемая фосфатазой, в обоих случаях активируется АТФ и цитратом и подавляется АДФ. Такая система регуляции означает, что накопле-ние в клетке нереализованного АТФ и фосфоенолпирувата на фоне низкого уровня АДФ и Ф н приведет к подавлению активности фосфофруктокиназы и активации фосфатазы, т.е. к торможению скорости распада глюкозы.

Рис. 4.6. Регуляция гликолиза у растений на уровне реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата:

Фр-6-Ф - фруктозо-6-фосфат; Фр-1,6-Ф - фруктозо-1,6-бисфосфат; Фр-2,6-Ф - фруктозо-2,6-бисфосфат; АТФ-ФФК - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа; ФФ Н -ФФК - пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа; фосфатаза - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; - активирование;

┴ - ингибирование

В регуляцию этих реакций включен еще один фактор - фруктозо-2,6-бисфосфат, регуляторная молекула у всех эукариот. Фруктозо-2,6-бисфосфат дей-ствует как активатор прямой и ингибитор обратной реакции, т. е. стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. У животных фруктозо-2,б-бисфосфат ак-тивирует АТФ-зависимую фосфофруктокиназу и подавляет активность фосфа-тазы. У растений в отличие от животных фруктозо-2,6-бисфосфат не действует на АТФ-зависимый фермент, но четко активирует ФФ н -зависимую фосфо-фруктокиназу и ингибирует фосфатазу. Пластидная изоформа АТФ-зависимой фосфофруктокиназы, как и цитозольная, активируется фосфатом и подавля-ется ФЕП, а также АТФ. О способах регуляции пластидной фосфатазы извест-но мало.

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется и деградирует при участии двух фер-ментов: фруктозо-6-фосфат 2-киназы и фруктозо-2,6-бисфосфатазы:

Активность 2-киназы активируется ионом фосфата и фруктозо-6-фосфатом и ингибируется трехуглеродным продуктом гликолиза - ФГА и ФГК. Таким образом, синтез самой регуляторной молекулы сложным образом зависит от соотношения С6/СЗ-Сахаров в растительной клетке. На это соотношение будут влиять интенсивность синтеза сахарозы и транспорт в хлоропласт Ф н в обмен на триозофосфат (см. гл. 3).

Второй регуляторный фермент гликолиза, пируваткиназа, аллостерически ин-гибируется метаболитами ЦТК, цитратом и малатом и активируется АДФ и Ф н.

Следующая точка контроля на пути окисления глюкозы - ПДК, на приме-ре которого можно видеть, как иногда сложно регулируется активность ключевых ферментов. Одним из способов «быстрого реагирования» в клетке явля-ется изменение активности ферментов за счет их обратимого фосфорилирования-дефосфорилирования при участии специальных протеинкиназ и фосфатаз. Именно такому способу регуляции подвержен и ПДК: АТФ-зависимое фосфорилирование комплекса по остатку серина подавляет его активность, а при отщеплении фосфатной группы активность восстанавливается (рис. 4.7). Состояние комплекса зависит от активности киназы, которая в свою очередь подвержена аллостерической регуляции. Киназа активируется АТФ и ионом аммония и ингибируется субстратом комплекса - пируватом. Регуляторные свойства фосфатазы остаются пока неясными. Кроме того, ПДК ингибируется по типу обратной связи НАДН и ацетил-СоА.

Рис. 4.7. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса за счет обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования.

Киназа катализирует АТФ-зависимое фосфорилирование одного из белков комплекса, переводя его в неактивное состояние. Киназа активируется АТФ и ионами аммония, ингибируется пиру-ватом. Дефосфорилирование при участии фосфатазы восстанавливает активность комплекса. Кроме того, активность ПДК подавляется продуктами реакции - НАДН и ацетил-СоА; ┴ - ингибирование; - активирование
Регуляторные ферменты ЦТК - цитратсинтаза и НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа. Активность цитратсинтазы аллостерически подавляется АТФ и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и цитратом и ингибируется АТФ и НАДН. Кроме того, работа дегидрогеназ цикла зависит от соотно-шения НАД/НАДН в матриксе. Следовательно, ключевую роль в управлении ЦТК играет соотношение НАДН/НАД + и АТФ/АДФ в матриксе митохондрий. При высоком содержании АТФ и НАДН работа цикла будет тормозиться.

Итак, на всем пути окисления глюкозы действуют ферменты, активность которых сложным образом зависит от многих факторов. В то же время в системе регуляции прослеживается общий принцип: ключевые реакции регулируются «снизу вверх», т. е. метаболитами, которые образуются в последующих реакци-ях, и прежде всего на заключительной стадии, когда в процессе окислитель-ного фосфорилирования синтезируется основная масса АТФ из АДФ и Ф н. Во всех случаях ключевые ферменты реагируют либо на абсолютное содержание, либо на соотношение АДФ, АТФ и Ф н. Такая система регуляции очень логична и направлена на поддержание в клетке режима экономии, при котором скорость распада глюкозы соответствовала бы потребностям клетки в АТФ и дру-гих продуктах дыхания. При высоком уровне АДФ и Ф н, который отражает быстрый расход в клетке синтезируемой АТФ, ключевые реакции гликолиза и ЦТК активируются, а при накоплении АТФ тормозятся. Благодаря такой си-стеме регуляции скорость окисления глюкозы и дыхания в целом координиру-ется в соответствии с энергетическим статусом клетки.
^ 4.1.8. ОБМЕН МЕТАБОЛИТАМИ ЦТК МЕЖДУ МИТОХОНДРИЯМИ И ЦИТОЗОЛЕМ

Цикл трикарбоновых кислот - это не только необходимый этап энергообме-на, но и источник соединений, необходимых для многих биосинтезов, проте-кающих в цитозоле и других компартментах. Благодаря интенсивному обмену с цитозолем в митохондриях пересекается обмен трех групп важнейших соеди-нений - углеводов, белков и липидов (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Цикл трикарбоновых кислот как центр метаболизма.

Интермедиаты ЦТК активно используются как исходные субстраты при образовании аминокис-лот, липидов и во многих других биосинтезах. Предлагаемая схема не является полной, она лишь демонстрирует активный отток метаболитов с основного пути дыхания
Например, ацетил-СоА - исходное соединение для синтеза жирных кислот и полиизопреноидных со-единений, необходимых при биосинтезе липидов, каротиноидов, раститель-ных гормонов. Важнейшей функцией цикла является экспорт так называемых «углеродных скелетов» в виде кетокислот, необходимых для синтеза амино-кислот в реакциях переаминирования.

Интеграция митохондрий в общий метаболизм возможна благодаря интен-сивному обмену метаболитами между матриксом и цитозолем. Наружная мемб-рана благодаря наличию пор не препятствует такому обмену. Транспорт со-единений через внутреннюю мембрану осуществляется с помощью интегри-рованных в нее белков-транспортеров. Транспортеры переносят кето- и амино-кислоты, адениннуклеотиды, НАД + , коэнзим А и многие другие соединения (см. также подразд. 4.2.11). Так, во внутренней мембране есть целое семейство похожих по своей структуре белков, которые осуществляют транспорт анио-нов ди- и трикарбоновых кислот, участвующих в ЦТК

(рис. 4.9). Особенно ин-тенсивно из митохондрий идет вынос α-кетоглутарата, который необходим для ассимиляции аммония и синтеза аминокислот в хлоропластах. В мембране обнаружены два обменных переносчика, которые выносят в цитозоль α-кетоглутарат и/или цитрат в обмен на малат. В цитозоле цитрат превращается в изоцитрат (при участии аконитазы), а затем окисляется с образованием α-кетоглутарата в реакции, катализируемой НАДФ + -зависимой изоцитратдегидроге-назой. В обмен на а-кетоглутарат или цитрат в митохондрии поступает малат, тем самым возмещая углеродные потери ЦТК.

Между митохондриями и цитозолем возможен также обмен восстанови-тельными эквивалентами. Образующийся в ЦТК НАДН не только окисляется в дыхательной цепи, но и выносится в цитозоль, где используется как восста-новитель в разных реакциях, например при восстановлении нитрата (см. гл. 6). И, наоборот, в ряде случаев НАДН из цитозоля может доставляться в матрикс. В то же время белок-переносчик для НАДН неизвестен. Обмен НАДН между матриксом и цитозолем осуществляется с помощью так называемых «челноч-ных систем», или «шаттлов». Наиболее важная из них - малат/оксалоацетат-шаттл (рис. 4.9), оперирующий при участии

НАД-зависимой малатдегидрогеназы, изоформы которой есть и в матриксе, и в цитозоле. В митохондриях, где содержание НАДН высокое, оксалоацетат за счет НАДН восстанавливается до малата. В мембране присутствует белок-переносчик, обменивающий малат на оксалоацетат. Оказавшись в цитозоле, малат может быть вновь окислен в обрат-ной реакции с образованием НАДН. Этот простой челнок в принципе может работать в двух направлениях в зависимости от соотношения НАДН/НАД + по обе стороны митохондриальной мембраны. В то же время есть данные, что in vivo он работает в основном «на экспорт»: около 25 -50 % НАДН, образован-ного в матриксе, окисляется в цитозоле благодаря малат/оксалоацетат-шаттлу. Цикл трикарбоновых кислот не только поставляет метаболиты, необходи-мые для синтеза белков и липидов, но также включен в деградацию этих со-единений. Хотя растения «дышат» в основном углеводами, в некоторых случаях дыхание поддерживают белки или жиры. Например, при развитии пророст-ков образованные при распаде запасных белков аминокислоты через реакции переаминирования превращаются в кетокислоты - интермедиаты ЦТК и вклю-чаются в цикл. Использование жиров при прорастании семян масличных рас-тений представляет собой особый случай, связанный с функционированием глиоксилатного цикла.

Рис. 4.9. Обмен метаболитами между матриксом и цитозолем.

Внутренняя мембрана митохондрий содержит белки-переносчики. Пируват и оксалоацетат по-ступают в митохондрии в обмен на ион ОН или фосфат и метаболизируют в ЦТК с образова-нием цитрата. Вынос цитрата или α-кетоглутарата в цитозоль в обмен на малат обеспечивает углеродными скелетами синтез аминокислот в пластидах, в том числе в хлоропластах. В цитозоле цитрат может превращаться в α-кетоглутарат при участии цитозольной НАДФ-зависимой изо-цитратдегидрогеназы. Малат/оксалоацетат шаттл обеспечивает обмен НАДН между матриксом и цитозолем. Шаттл работает благодаря переносчику (известному как ОАА-транспортер), который осуществляет обменный транспорт через мембрану малата и оксалоацетата в ту и другую сторону. Важным транспортером является АТФ/АДФ-транслокатор и переносчик фосфата (см. подразд. 4.2.11)

^ 4.1.9. КОНВЕРСИЯ ЖИРОВ В УГЛЕВОДЫ. ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ

В семенах некоторых растений жиры являются доминирующими запасными соединениями. К их числу относятся клещевина (Ricinus communis ), арахис (Arachis hypogaea ), рапс (Brassica napus ), подсолнечник { Helianthus annuus ), тыква (Cucurbita реро), соя (Glycine max ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), пальма (Elaeis guineensis ) и др.

В зависимости от вида растения жиры могут накапливаться в клетках семя-долей (подсолнечник, рапс, арахис, соя) или в эндосперме (клещевина), т.е. в тканях, предназначенных «кормить» развивающийся проросток. При прора-стании таких семян действует особый путь метаболизма, через который жиры превращаются в сахарозу, и она транспортируется в органы развивающегося проростка, где используется как субстрат дыхания и как источник углеводов для биосинтезов (например, клеточной стенки).

На пути превращения жиров в углеводы в тканях эндосперма или семядо-лей действует глиоксилатный цикл, ферменты которого локализованы в осо-бых органеллах - глиоксисомах.

Глиоксисомы принадлежат к пестрому семейству микротелец, которое у растений представлено глиоксисомами и пероксисомами. По мере развития проростка глиоксисомы либо исчезают вместе с эндоспермом, либо превра-щаются в типичные пероксисомы при зеленении семядолей.

Уникальная конверсия жиров в углеводы включает три этапа: окисление жирных кислот, глиоксилатный цикл и глюконеогенез. Все три этапа связаны между собой через взаимодействие четырех компартментов - жировых телец, глиоксисом, митохондрий и цитозоля (рис. 4.10, 4.11). Обычно растения запа-сают триацилглицеролы, которые в клетке находятся в виде жировых телец, или олеосом. Олеосомы отделены от водной фазы мембраной, состоящей из одного слоя фосфолипидов. Такая необычная структура возникает при образо-вании олеосом: жиры синтезируются в полостях ЭПР, откладываются между двумя монослоями мембраны, а затем отщепляются в виде капель. Специаль-ные белки, олеозины, покрывают их поверхность и предотвращают слипание. При прорастании семян жиры подвергаются гидролизу при участии липазы с образованием жирных кислот и глицерола. Глицерол может превращаться в триозофосфат и участвовать в гликолизе, а свободные жирные кислоты посту-пают в глиоксисомы, которые как правило находятся с олеосомами в тесном контакте. Здесь начинается процесс

β-окисления, в результате которого от жирной кислоты последовательно отщепляются 2С-фрагменты с образованием ацетил-СоА. Процесс сопровождается восстановлением НАД + и образованием пе-рекиси. Образованный НАДН может выноситься из глиоксисом через малат-оксалоацетат-челнок, а перекись разлагается каталазой (см. подразд. 4.3.2).

Ацетил-СоА является субстратом глиоксилатного цикла, который представ-ляет собой модифицированный ЦТК (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Глиоксилатный цикл.

Реакции 1- 5 катализирут ферменты: 1 - цитратсинтаза; 2 - аконитаза; 3 - изоцитратлиаза; 4 - малатсинтаза; 5 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа. Все ферменты, участвующие в цик-ле, локализованы в глиоксисоме, за исключением, возможно, аконитазы. Есть данные, что аконитаза в прорастающих семенях клещевины и тыквы является цитозольным ферментом

Рис. 4.11. Взаимодействие компартментов в процессе превращения жиров в углеводы при прорастании семян масличных растений.

Запасенные в виде жировых капель жиры подвергаются гидролизу липазой. Свободные жирные кислоты конденсируются с коэнзимом А и образуют ацил-СоА. Последний поступает в глиокси-сомы, где происходит процесс

β-окисления, в котором от жирной кислоты последовательно отщепляются ацетильные остатки в виде ацетил-СоА. Ацетил-СоА метаболизирует через глиоксилатный цикл, продуктом которого является сукцинат. Сукцинат поступает в митохондрии, где под действием ферментов ЦТК превращается в малат. Образованный в цикле малат выходит из митохондрий и метаболизирует в цитозоле с образованием фосфоенолпирувата. Фосфоенолпируват через глюконеогенез превращается в 6С-углеводы

Три фермента - цитратсинтаза, аконитаза и малатдегидрогеназа, общие для глиоксилатного цикла и ЦТК, представлены в глиоксисомах другими изоформами. Две первые реакции гли-оксилатного цикла идентичны двум первым реакциям ЦТК. Ацетил-СоА кон-денсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который затем превра-щается в изоцитрат при участии аконитазы. Последующие две реакции специ-фичны для глиоксилатного цикла и катализируются двумя ферментами, уни-кальными для растений. В первой из них изоцитратлиаза катализирует расщеп-ление изоцитрата с образованием сукцината и глиоксилата. Сукцинат уходит из цикла, а глиоксилат в реакции, катализируемой малатсинтазой, вновь конден-сируется с еще одной молекулой ацетил-СоА с образованием малата. Замыкает цикл реакция окисления малата до оксалоацетата, идентичная аналогичной за-мыкающей реакции ЦТК. Таким образом, в результате пяти реакций из двух мо-лекул ацетил-СоА (ацетильных остатков) синтезируется сукцинат, который уходит из глиоксисом и используется в синтезе углеводов. Согласно простей-шей схеме сукцинат поступает в митохондрии, где включается в реакции ЦТК и восстанавливается до малата. Малат выносится из митохондрий в цитозоль и окисляется до оксалоацетата при участии малатдегидрогеназы. ФЕП-карбоксикиназа катализирует реакцию, в которой оксалоацетат превращается в ФЕП. Фосфоенолпируват, ключевой метаболит гликолиза, может быть превращен в глюкозу и сахарозу в процессе глюконеогенеза (см. подразд. 4.1.4).

Глиоксилатный цикл функционирует не только в прорастающих семенах масличных растений, но и в стареющих листьях, а также при созревании пыльцы. Предполагается, что гены, кодирующие ферменты глиоксилатного цикла, имеются у всех растений, но экспрессируются не во всех тканях и не на всех стадиях онтогенеза. При старении листьев пероксисомы, вероятно, трансфор-мируются в глиоксисомы, и в них начинает функционировать глиоксилатный цикл, с помощью которого метаболизирует ацетил-СоА, образованный при деградации липидов мембран. Образующиеся сахара в дальнейшем уходят из стареющих листьев в другие органы.
^ 4.1.10. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

В клетках растений и животных существует еще один способ окисления-глю-козы, не связанный с энергообменом, но играющий важную роль в конструк-тивном обмене, - окислительный пентозофосфатный цикл (оПФЦ). В ПФЦ можно выделить два этапа (рис. 4.12). На первом из них первые три реакции цикла необратимы и связаны с последовательным окислением глюкозо-6-фос-фата при участии глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидро-геназы. В результате этих двух реакций теряется СО 2 , восстанавливаются две молекулы НАДФ + и образуется рибулезо-5-фосфат. Второй этап включает ре-акции, связанные с рекомбинацией 5С-сахаров, в результате которых образу-ется исходный субстрат - глюкозо-6-фосфат. Для того чтобы цикл был замк-нут, необходимо участие 6 молекул глюкозо-6-фосфата и образование соот-ветственно 6 молекул рибулезо-5-фосфата. Перегруппировка молекул сопро-вождается превращением 6 молекул × 5С-сахаров в 5 молекул × 6С-сахаров.

У растений ферменты оПФЦ обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами.

В гетеротрофных тканях корня оПФЦ в пластидах протекает достаточно актив-но, но функционирование оПФЦ в хлоропластах вызывает много вопросов. Дело в том, что на свету в хлоропластах действует цикл Кальвина, многие ферменты которого (фосфатазы, транскетолазы, альдолаза, триозофосфатизомераза) являются также ферментами оПФЦ. Поэтому полагают, что в хло-ропластах оПФЦ действует только в темноте. «Выключение» цикла на свету связано с механизмом регуляции пластидной изоформы глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы. Как уже говорилось, активность ферментов может изменяться в результате их обратимого фосфорилирования. Еще один распространенный способ регуляции - это окисление или восстановление фермента по особой, регуляторной дисульфидной связи. На свету глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа переходит в неактивное состояние в результате восстановления по дисульфид-ной связи (-S-S → -SHHS-), тогда как в темноте происходит спонтан-ное окисление фермента. Полагают, что в восстановлении участвует ферредоксин или тиоредоксин, восстановленные в ходе фотосинтеза. Основная функ-ция оПФЦ - это генерация НАДФН, который требуется во многих биосинте-зах, а также синтез углеводов с разным числом углеродных атомов. Образу-ющиеся в цикле 5С- и 4С-углеводы активно уходят из цикла, так как необхо-димы для синтеза нуклеотидов, ароматических соединений, витаминов, флавоноидов, полисахаридов клеточной стенки и т.д. 3С- и 6С-сахара также могут покидать цикл и включаться в процесс гликолиза, который протекает в тех же компартментах. С учетом этого функционирование полного и замкнутого оПФЦ in vivo как в цитозоле, так и в хлоропласте представляется маловероятным.

Рис. 4.12. Пентозофосфатный цикл.

Первые три реакции цикла необратимы и сопровождаются образованием НАДФН и рибулозо-5-фосфата. Последующие реакции обратимы и представляют собой рекомбинацию 6 молекул 5С-сахаров с образованием 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Реакции 1-12 катализируют следу-ющие ферменты: 1 - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 - глюконолактоназа; 3 - фосфоглюконатдегидрогеназа; 4 - пентозофосфатэпимераза; 5 - пентофосфатизомераза; 6 - транскетолаза; 7 - трансальдолаза; 8 - транскетолаза; 9 - триозофосфатизомераза; 10 - альдолаза; 11 -

Фосфатаза; 12 - глюкозофосфатизомераза

Метаболизм и его функции Метаболизм включает два неразрывных процесса: анаболизм и катаболизм. Он выполняет три специализированные функции: Энергетическая – снабжение клетки химической энергией, Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков, Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул - предшественников. Поскольку анаболизм сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Жизнь Энергия Вещество Поддержание сложности Рост и размножение Метаболизм – все химические реакции в организме Энергетический обмен Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые Обмен веществ = Анаболизм – реакции синтеза макромолекул из простых Пластический обмен АТФ

НАДФ - НАДФН - цикл НАДФ - НАДФН - цикл Для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6- фосфата в пентозном пути и оксалоацетата малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ- НАДФН-цикл.

Катаболизм Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Использование атомов водорода Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, могут использоваться клеткой только по двум направлениям: на анаболические реакции в составе НАДФН. на образование АТФ в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН 2.

Этапы катаболизма. Первый этап. Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа: I этап Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах при расщеплении молекул. При этом освобождается около 1 % энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

Второй этап II этап Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил -S- КоА) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13 % энергии вещества усваивается, т. е. запасается в виде макроэргических связей АТФ.

Третий этап III этап Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил -S КоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН 2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием " окислительное фосфорилирование " образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ. Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46 % энергии исходного вещества усваивается, т. е. запасается в связях АТФ и ГТФ.

Роль АТФ Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ. Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в каких - либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа использования АТФ биосинтез веществ, транспорт веществ через мембраны, изменение формы клетки и ее движение. Эти процессы совместно с процессом образования АТФ получили название АТФ - цикл:

Способы получения энергии в клетке В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание: 1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил -S КоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту. 2. β - Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления) – окисление жирных кислот до ацетил -S КоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2. Молекулы АТФ " в чистом виде " не появляются.

Способы получения энергии в клетке 3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, 3 этап биологического окисления) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил -S КоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления) – окисляются НАДН и ФАДН 2, полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ.

Два способа синтеза АТФ Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого - либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3- дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил -S КоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал / моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

ПВК Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях пируват симпортом с ионами Н +, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. Здесь происходит его превращение до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Глюкоза 2 ПВК Гликолиз к л е т к а 9 реакций (пируват) гликолиз 2 АТФ 2 НАД·Н © М.А. Волошина biologii.net

Окисление пировиноградной кислоты Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов: Пируватдегидрогеназа (Е 1, ПВК - дегидрогеназа), ее коферментом является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1- ю реакцию. Дигидролипоат - ацетилтрансфераза (Е 2), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2- ю и 3- ю реакции. Дигидролипоат - дегидрогеназа (Е 3), кофермент – ФАД, катализирует 4- ю и 5- ю реакции. Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Регулируемым ферментом ПВК - дегидрогеназного комплекса является первый фермент – пируватдегидрогеназа (Е 1). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования. Сама киназа активируется при избытке конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ферментного комплекса – НАДН и ацетил -S- КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается. Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Ганс Адольф Кребс В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии. Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса. Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953 г.

Цикл трикарбоновых кислот Образующийся в ПВК - дегидрогеназной реакции ацетил - S КоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких - либо иных веществ. Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций: связывание ацетил - КоА и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) с образованием лимонной кислоты, изомеризация лимонной кислоты и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО 2. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Основная роль ЦТК Основная роль ЦТК заключается в 1) генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН 2. 2) Кроме этого, в ЦТК образуется одна молекула АТФ, сукцинил -S КоА, участвующий в синтезе гема, кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α - кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой.

Регуляторные ферменты ЦТК Некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами: Ферменты ЦТКИнгибиторыАктиваторы ЦитратсинтазаАТФ, цитрат, НАДН, ацил -S- КоА Изоцитрат - дегидрогеназа АТФ, НАДНАМФ, АДФ α - Кетоглутарат - дегидрогеназа Сукцинил -S- КоА, НАДН цАМФ

Окислительное фосфорилирование Молекулы НАДН и ФАДН 2, образуемые в реакциях окисления углеводов, жирных кислот, спиртов и аминокислот, далее поступают в митохондрии, где идет процесс окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН 2) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.

Механизм окислительного фосфорилирования По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью (англ. electron transport chain).

Принцип работы дыхательной цепи В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем: 1) Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода (т. е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи. 2) Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию. 3) Эта энергия используется на выкачивание протонов Н + из матрикса в межмембранное пространство. 4) В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. 5) Протоны Н + стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ - синтазу. 6) При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ. Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т. е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

Дыхательная цепь включает множество белков - переносчиков Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.

Первый комплекс. Первый комплекс. 1 комплекс - НАДН - Ко Q- оксидоредуктаза Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН - дегидрогеназа, содержит ФМН, 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков с общей молекулярной массой до 900 кДа. Функция Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон). Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Второй комплекс 2 комплекс - ФАД - зависимые дегидрогеназы Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. Он включает в себя ФАД - зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил -S КоА - дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол -3- фосфат - дегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию). Функция Восстановление ФАД в окислительно - восстановительных реакциях. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.

Третий комплекс 3 комплекс - Ко Q- цитохром с - оксидоредуктаза Данный комплекс включает цитохромы b и c 1. Кроме цитохромов в нем имеются 2 железо - серных белка. Всего насчитывается 11 полипептидных цепей общей молекулярной массой около 250 к D а. Функция Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с. Переносит 2 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Четвёртый комплекс 4 комплекс. - Цитохром с - кислород - оксидоредуктаза В этом комплексе находятся цитохромы а и а 3, он называется также цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептидных цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. Функция Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды. Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Пятый комплекс 5 комплекс – это фермент АТФ - синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы: одна группа формирует субъединицу F о (олигомицин - чувствительная) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ. Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно 3- х протонов Н +. Механизм окислительного фосфорилирования На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования: 1) Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т. е. обладает более положительным окислительно - восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов. 2) Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2.

3) На внутренней мембране митохондрий атомы водорода (от НАДН и ФАДН 2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (шт / сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода. 4) Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Механизм окислительного фосфорилирования (продолжение) Участки сопряжения 5) Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участками сопряжения (или пунктами фосфорилирования). Название " участки сопряжения " возникло из - за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ. Участки сопряжения представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией. Градиент (Δμ, " дельта мю ") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, " дельта пси ") и концентрационную (ΔрН): Δμ = ΔΨ + ΔрН

Наработка АТФ 6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H + теряют свою энергию, проходя через АТФ - синтазу (Н + - транспортирующая АТФ - аза). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла:

На клеточное дыхание можно влиять В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией на воздействие.

Гипоэнергетические состояния Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее: гиповитаминозы экзогенные и / или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В 1, В 2, никотиновой кислоты, В 6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты, дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности, снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии, дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает " переполнение " дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН 2 в клетке и прекращение катаболизма, дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Разобщители окисления и фосфорилирования К разобщителям в первую очередь относят " протонофоры " – вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме. Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Белок термогенин является физиологическим протонофором. Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН 2 на кислород. Они называются ингибиторы. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н + и работа АТФ - синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает. Выделяют три основных группы ингибиторов: действующие на I комплекс, например, амитал (производное барбитуровой кислоты), ротенон, прогестерон, действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А, действующие на IV комплекс, например, сероводород (H 2 S), угарный газ (СО), цианиды (-CN).

Введение в метаболизм (биохимия)

Обмен веществ или метаболизм – это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Процесс метаболизма, сопровождающийся образованием более простых соединений из сложных, обозначают термином - катаболизм. Процесс, идущий в обратном направлении и приводящий, в конечном счете, к образованию сложного продукта из относительно более простых – анаболизм. Анаболические процессы сопровождаются потреблением энергии, катаболические – высвобождением.

Анаболизм и катаболизм не являются простым обращением реакций. Анаболические пути должны отличаться от путей катаболизма хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо, и за счет контроля активности этих ферментов регулируется суммарная скорость распада и синтеза веществ. Ферменты, которые определяют скорость всего процесса в целом, называются ключевыми.

Более того, путь по которому идет катаболизм той или иной молекулы, может быть непригодным для ее синтеза по энергетическим соображениям. Например, протекающие в печени расщепление глюкозы до пирувата представляет собой процесс, состоящий из 11 последовательных стадий, катализируемых специфическими ферментами. Казалось бы, синтез глюкозы из пирувата должен быть простым обращением всех этих ферментативных стадий её распада. Такой путь представляется на первый взгляд и самым естественным, и наиболее экономичным. Однако в действительности биосинтез глюкозы (глюконеогенез) в печени протекает иначе. Он включает лишь 8 из 11 ферментативных стадий, участвующих в ее распаде, а 3 недостающие стадии заменены в нем совсем другим набором ферментативных реакций, свойственным только этому биосинтетическому пути. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных компартментах клеток.

Таблица 8.1. Компартментализация некоторых метаболических путей в гепатоците

Компартмент	Метаболические пути
Цитозоль	Гликолиз, многие реакции глюконеогенеза, активация аминокислот, синтез жирных кислот
Плазматическая мембрана	Энергозависимые транспортные системы
	Репликация ДНК, синтез различных видов РНК
Рибосомы	Синтез белка
Лизосомы	Изоляция гидролитических ферментов
Комплекс Гольджи	Образование плазматической мембраны и секреторных пузырьков
Микросомы	Локализация каталазы и оксидаз аминокислот
Эндоплазматическая сеть	Синтез липидов
Митохондрии	Цикл трикарбоновых кислот, цепь тканевого дыхания, окисление жирных кислот, окислительное фосфорилирование

Метаболизм выполняет 4 функции:

1. снабжение организма химической энергией, полученной при расщеплении богатых энергией пищевых веществ;

2. превращение пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в клетке для биосинтеза макромолекул;

3. сборка макромолекулярных (биополимеры) и надмолекулярных структур живого организма, пластическое и энергетическое поддержание его структуры;

4. синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения специфических функций клетки и организма.

Метаболический путь – это последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболитами, а последнее соединение метаболического пути – конечным продукт. Примером метаболического пути является гликолиз, синтез холестерина.

Метаболический цикл – это такой метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений вовлеченных в этот процесс. Наиболее важными в организме человека метаболическими циклами являются цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и орнитиновый цикл мочевинообразования.

Почти все метаболические реакции в конечном итоге связаны между собой, поскольку продукт одной ферментативной реакции служит субстратом для другой, которая в данном процессе играет роль следующей стадии. Таким образом, метаболизм можно представить в виде чрезвычайно сложной сети ферментативных реакций. Если поток питательных веществ в какой-нибудь одной части этой сети уменьшится или нарушится, то в ответ могут произойти изменения в другой части сети, для того чтобы это первое изменение было как-то уравновешено или скомпенсировано. Более того, и катаболические и анаболические реакции отрегулированы таким образом, чтобы они протекали наиболее экономично, то есть с наименьшей затратой энергии и веществ. Например, окисление питательных веществ в клетке совершается со скоростью, как раз достаточной для того, чтобы удовлетворить ее энергетические потребности в данный момент.

Специфические и общие пути катаболизма

В катаболизме различают три стадии:

1. Полимеры превращаются в мономеры (белки – в аминокислоты, углеводы в моносахариды, липиды – в глицерол и жирные кислоты). Химическая энергия при этом рассеивается в виде тепла.

2. Мономеры превращаются в общие продукты, в подавляющем большинстве в ацетил-КоА. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, частично накапливается в виде восстановленных коферментных форм (НАДН, ФАДН2), частично запасается в макроэргических связях АТФ (субстратное фосфорилирование).

1-ая и 2-ая стадии катаболизма относятся к специфическим путям, которые уникальны для метаболизма белков, липидов и углеводов.

3. Заключительный этап катаболизма, сводится к окислению ацетил-КоА до СО 2 и Н 2 О в реакциях цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) – общий путь катаболизма. Окислительные реакции общего пути катаболизма сопряжены с цепью тканевого дыхания. При этом энергия (40–45%) запасается в виде АТФ (окислительное фосфорилирование).

В результате специфических и общих путей катаболизма биополимеры (белки, углеводы, липиды) распадаются до СО 2 , Н 2 О и NH 3 , которые являются основными конечными продуктами катаболизма.

Метаболиты в норме и при патологии

В живой клетке ежесекундно образуются сотни метаболитов. Однако их концентрации поддерживаются на определенном уровне, который является специфической биохимической константой или референтной величиной. При болезнях происходит изменение концентрации метаболитов, что является основой биохимической лабораторной диагностики. К нормальным метаболитам относят глюкозу, мочевину, холестерол, общий белок сыворотки крови и ряд других. Выход концентрации этих веществ за пределы физиологических норм (повышение либо снижение) говорит о нарушении их обмена в организме. Более того, ряд веществ в организме здорового человека обнаруживается только в определенных биологических жидкостях, что обуславливается спецификой их метаболизма. Например, белки сыворотки крови в норме не проходят через почечный фильтр и, соответственно, не обнаруживаются в моче. Но при воспалении почек (гломерулонефрите) белки (в первую очередь альбумины) проникают через капсулу клубочка, появляются в моче – протеинурия и трактуются как патологические компоненты мочи.

Патологическими метаболитами являются миеломные белки (белки Бенс-Джонса), парапротеины при макроглобулинемии Вальденштрема, накопление аномального гликогена при гликогенозах, разнообразных фракций сложных липидов при сфинголипидозах и т.д. Они обнаруживаются только при болезнях и для здорового организма не характерны.

Уровни изучения обмена веществ

Уровни изучения обмена веществ:

1. Целый организм.

2. Изолированные органы (перфузируемые).

3. Срезы тканей.

4. Культуры клеток.

5. Гомогенаты тканей.

6. Изолированные клеточные органеллы.

7. Молекулярный уровень (очищенные ферменты, рецепторы и т.д.).

Довольно часто для изучения метаболизма используют радиоактивные изотопы (3 H, 32 P, 14 C, 35 S, 18 O), которыми помечают вещества, вводимые в организм. Затем можно проследить клеточную локализацию этих веществ, определить период полураспада и их метаболические пути.

Рис. 8.1. Схема специфических и общих путей катаболизма

Глава 9. Биологические мембраны

Клетка представляет биологическую систему, основу которой составляют мембранные структуры, отделяющие клетку от внешней среды, формирующие ее отсеки (компартменты), а также обеспечивающие поступление и удаление метаболитов, восприятие и передачу сигналов и являющиеся структурными организаторами метаболических путей.

Согласованное функционирование мембранных систем – рецепторов, ферментов, транспортных механизмов помогает поддерживать гомеостаз клетки и в то же время быстро реагировать на изменения внешней среды.

Мембраны – нековалентные надмолекулярные структуры. Белки и липиды в них удерживаются вместе множеством нековалентных взаимодействий (кооперативных по характеру).

К основным функциям мембран можно отнести:

1. отделение клетки от окружающей среды и формирование внутриклеточных компартментов (отсеков);

2. контроль и регулирование транспорта огромного разнообразия веществ через мембраны (избирательная проницаемость);

3. участие в обеспечении межклеточных взаимодействий;

4. восприятие и передача сигнала внутрь клетки (рецепция);

5. локализация ферментов;

6. энерготрансформирующая функция.

Мембраны асимметричны в структурном и функциональном отношениях (углеводы локализуются всегда снаружи и их нет на внутренней стороне мембраны). Это динамичные структуры: входящие в их состав белки и липиды могут двигаться в плоскости мембраны (латеральная диффузия). Однако существует и переход белков и липидов с одной стороны мембраны на другую (поперечная диффузия, флип-флоп), которая происходит крайне медленно. Подвижность и текучесть мембран зависят от её состава: соотношениям насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а также холестерола. Текучесть мембраны тем ниже, чем выше насыщенность жирных кислот в фосфолипидах и чем больше содержание холестерола. Кроме того, для мембран характерна самосборка.

Общие свойства клеточных мембран:

1. легко проницаемы для воды и нейтральных липофильных соединений;

2. в меньшей степени проницаемы для полярных веществ (сахара, амиды);

3. плохо проницаемы для небольших ионов (Na + , Cl - и др.);

4. характерно высокое электрическое сопротивление;

5. асимметричность;

6. могут самопроизвольно восстанавливать целостность;

7. жидкостность.

Химический состав мембран.

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых у разных мембран широко колеблется. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5%-10% веществ мембраны. Согласно жидкостно-мозаичной модели строения мембраны (Сенджер и Николсон, 1972г.) основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы растворены в липидном бислое и относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов на которых растут деревья гликокаликса».

Липиды мембран.

Мембранные липиды – амфифильные молекулы, т.е. в молекуле есть как гидрофильные группы (полярные головки), так и алифатические радикалы (гидрофобные хвосты), самопроизвольно формирующие бислой, в котором хвосты липидов обращены друг к другу. Толщина одного липидного слоя 2,5 нм, из которых 1 нм приходится на головку и 1,5 нм на хвост. В мембранах присутствуют три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Среднее молярное отношение холестерол/фосфолипиды равно 0,3–0,4, но в плазматической мембране это соотношение гораздо выше (0,8–0,9). Наличие холестерола в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и белков.

Фосфолипиды можно разделить на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Наиболее распространенные глицерофосфолипиды мембран – фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими десятками фосфатидилхолинов, отличающихся друг от друга строением жирнокислотных остатков.

На долю глицерофосфолипидов приходится 2–8% всех фосфолипидов мембран. Наиболее распространенными являются фосфатидилинозитолы.

Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий – кардиолипины (дифосфатидглицеролы), построенные на основе глицерола и двух остатков фосфатидной кислоты, составляют около 22% от всех фосфолипидов митохондриальных мембран.

В миелиновой оболочке нервных клеток в значительных количествах содержатся сфингомиелины.

Гликолипиды мембран представлены цереброзидами и ганглиозидами, в которых гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа – углеводный остаток – гликозидной связью присоединен к гидроксильной группе первого углеродного атома церамида. В значительных количествах гликолипиды находятся в мебранах клеток мозга, эпителия и эритроцитов. Ганглиозиды эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей и проявляют антигенные свойства.

Холестерол присутствует во всех мембранах животных клеток. Его молекула состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи, единственная гидроксильная группа является полярной головкой.

Функции мембранных липидов.

Фосфо- и гликолипиды мембран, помимо участия в формировании липидного бислоя, выполняют ряд других функций. Липиды мембран формируют среду для функционирования мембранных белков, принимающих в ней нативную конформацию.

Некоторые мембранные липиды – предшественники вторичных посредников при передаче гормональных сигналов. Так фосфатидилинозитолдифосфат под действием фосфолипазы С гидролизируется до диацилглицерола и инозитолтрифосфата, являющихся вторичными посредниками гормонов.

Ряд липидов участвует в фиксации заякоренных белков. Примером заякоренного белка является ацетилхолинэстераза, которая фиксируется на постсинаптической мембране к фосфатитилинозитолу.

Белки мембран.

Мембранные белки отвечают за функциональную активность мембран и на их долю приходится от 30 до 70%. Белки мембран отличаются по своему положению в мембране. Они могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его – интегральные белки, разными способами прикрепляться к мембране – поверхностные белки, либо, ковалентно контактировать с ней – заякоренные белки. Поверхностные белки почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов и адгезии.

Белки, локализованные в мембране, выполняют структурную и специфические функции:

1. транспортную;

2. ферментативную;

3. рецепторную;

4. антигенную.

Механизмы мембранного транспорта веществ

Различают несколько способов переноса веществ через мембрану:

1. Простая диффузия – это перенос небольших нейтральных молекул по градиенту концентрации без затрат энергии и переносчиков. Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О 2 , стероиды, тиреоидные гормоны. Малые полярные незаряженные молекулы – СО 2 , NH 3 , H 2 O, этанол и мочевина – также диффундируют с достаточной скоростью. Диффузия глицерола идет значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана не проницаема.

2. Облегченная диффузия – перенос вещества по градиенту концентрации без затрат энергии, но с переносчиком. Характерна для водорастворимых веществ. Облегченная диффузия отличается от простой большей скоростью переноса и способностью к насыщению. Различают две разновидности облегченной диффузии:

Транспорт по специальным каналам, образованным в трансмебранных белках (например, катионселективные каналы);

С помощью белков-транслоказ, которые взаимодействуют со специфическим лигандом, обеспечивают его диффузию по градиенту концентрации (пинг-понг) (перенос глюкозы в эритроциты с помощью белка-переносчика ГЛЮТ-1).

Кинетически перенос веществ облегченной диффузией напоминает ферментативную реакцию. Для транслоказ существует насыщающая концентрация лиганда, при которой все центры связывания белка с лигандом заняты, и белки работают с максимальной скоростью. Поэтому скорость транспорта веществ облегченной диффузией зависит не только от градиента концентраций переносимого вещества, но и от количества беков-переносчиков в мембране.

Простая и облегченная диффузия относится к пассивному транспорту, так как происходит без затраты энергии.

3. Активный транспорт – транспорт вещества против градиента концентрации (незаряженные частицы) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии, чаще всего АТФ. Выделяют два вида его: первично активный транспорт использует энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала и осуществляется с помощью транспортных АТФ-аз. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека Na + ,K +- АТФ-аза, Са 2+ -АТФ-аза, Н + -АТФ-аза.

При вторично активном транспорте используется градиент ионов, созданный на мембране за счет работы системы первично активного транспорта (всасывание глюкозы клетками кишечника и реабсорбция из первичной мочи глюкозы и аминокислот клетками почек, осуществляемые при движении ионов Na + по градиенту концентрации).

Перенос через мембрану макромолекул. Транспортные белки обеспечивают перенос через клеточную мембрану полярных молекул небольшого размера, но они не могут транспортировать макромолекулы, например белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды или отдельные частицы.

Механизмы, с помощью которых клетки могут усваивать такие вещества или удалять их из клетки, отличаются от механизмов транспорта ионов и полярных соединений.

1. Эндоцитоз. Это перенос вещества из среды в клетку вместе с частью плазматической мембраны. Путем эндоцитоза (фагоцитоза) клетки могут поглощать большие частицы, такие как вирусы, бактерии или фрагменты клеток. Поглощение жидкости и растворенных в ней веществ с помощью небольших пузырьков называют пиноцитозом.

2. Экзоцитоз . Макромолекулы, например белки плазмы крови, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты синтезируются в клетках и затем секретируются в межклеточное пространство или кровь. Но мембрана не проницаема для таких макромолекул или комплексов, их секреция происходит путем экзоцитоза. В организме имеются как регулируемый так и не регулируемый пути экзоцитоза. Нерегулируемая секреция характеризуется непрерывным синтезом секретируемых белков. Примером может служить синтез и секреция коллагена фибробластами для формирования межклеточного матрикса.

Для регулируемой секреции характерны хранение приготовленных на экспорт молекул в транспортных пузырьках. С помощью регулируемой секреции происходят выделение пищеварительных ферментов, а также секреция гормонов и нейромедиаторов.

Глава 10. Энергетический обмен. Биологическое окисление

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции. В биологических системах термодинамически невыгодные эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряженными.

Важнейшей функцией многих биологических мембран служит превращение одной формы энергии в другую. Мембраны, обладающие такими функциями, называются энергопреобразующими. Любая мембрана, выполняющая энергетическую функцию, способна к превращению химической энергии окисляемых субстратов или АТФ в электрическую энергию, а именно в трансмембранную разность электрических потенциалов (DY) или в энергию разности концентраций веществ, содержащихся в разделенных мембраной растворах, и наоборот. Среди энергопреобразующих мембран, имеющих наибольшее значение, можно назвать внутреннюю мембрану митохондрий, внешнюю цитоплазматическую мембрану, мембраны лизосом и комплекса Гольджи, саркоплазматический ретикулум. Наружная мембрана митохондрий и ядерная мембрана не может превращать одну форму энергии в другую.

Преобразование энергии в живой клетке описывается следующей общей схемой:

Энергетические ресурсы → ΔμI → работа

где ΔμI – трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I. Следовательно, процессы утилизации энергии и совершения за счет нее работы оказываются сопряжены через образование и использование ΔμI. Поэтому данный ион может быть назван сопрягающим ионом. Основным сопрягающим ионом в клетке эукариот является Н + , и соответственно ΔμН + является основной конвертируемой формой запасания энергии. Вторым по значимости сопрягающим ионом является Na + (ΔμNa +). В то время как Сa 2+ , K + и Cl - не используются для совершения какой-либо работы.

Биологическое окисление – это процесс дегидрирования субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Если в роли конечного акцептора выступает кислород, процесс называется аэробным окислением или тканевым дыханием, если конечный акцептор представлен не кислородом – анаэробным окислением. Анаэробное окисление имеет ограниченное значение в организме человека. Основная функция биологического окисления – обеспечение клетки энергией в доступной форме.

Тканевое дыхание – процесс окисления водорода кислородом до воды ферментами цепи тканевого дыхания. Оно протекает по следующей схеме:

Вещество окисляется, если отдает электроны или одновременно электроны и протоны (атомы водорода), или присоединяет кислород. Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом). Любое соединение может отдавать электроны только веществу с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Окислитель и восстановитель всегда образуют сопряженную пару.

Выделяют 2 типа окисляемых субстратов:

1. Пиридинзависимые – спиртовые или альдегидные – изоцитрат, α-кетоглутарат, пируват, малат, глутамат, β-гидроксиацил-КоА, β-гидроксибутират, – в их дегидрировании участвуют НАД-зависимые дегидрогеназы.

2. флавинзависимые – являются производными углеводородов – сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3-фосфат, холин – при дегидрировании передают водород на ФАД-зависимые дегидрогеназы.

Цепь тканевого дыхания – последовательность переносчиков протонов водорода (Н+) и электронов от окисляемого субстрата на кислород, локализованных на внутренней мембране митохондрий.

Рис. 10.1. Схема ЦТД

Компоненты ЦТД:

1. НАД-зависимые дегидрогеназы дегидрируют пиридинзависимые субстраты и акцептируют 2ē и один Н + .

2. ФАД (ФМН) - зависимые дегидрогеназы акцептируют 2 атома водорода (2Н + и 2ē). ФМН – зависимая дегидрогеназа дегидрирует только НАДН, в то время как ФАД-дегидрогеназы окисляют флавинзависимые субстраты.

3. Жирорастворимый переносчик убихинон (кофермент Q, КоQ) – свободно перемещается по мембране митохондрий и акцептирует два атома водорода и превращается в КоQH 2 (восстановленная форма – убихинол).

4. Система цитохромов – переносит только электроны. Цитохромы железосодержащие белки, простетическая группа которых по структуре напоминает гем. В отличие от гема атом железа в цитохроме может обратимо переходить из двух – в трехвалентное состояние (Fe 3+ + ē → Fe 2+). Это и обеспечивает участие цитохрома в транспорте электронов. Цитохромы действуют в порядке возрастания их редокс-потенциала и в дыхательной цепи располагаются следующим образом: b-с 1 -с-а-а 3 . Два последних работают в ассоциации как один фермент цитохромоксидаза аа 3 . Цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц (2 - цитохрома а и 4 - цитохрома а 3). В цитохроме а 3 кроме железа имеются атомы меди и он передает электроны непосредственно на кислород. Атом кислорода при этом заряжается отрицательно и приобретает способность взаимодействовать с протонами с образованием метаболической воды.

Железосерные белки (FeS) – содержат негемовое железо и участвуют в окислительно-восстановительных процессах, протекающих по одноэлектронному механизму и ассоциированы с флавопротеинами и цитохромом b.

Структурная организация цепи тканевого дыхания

Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране михохондрий формируют комплексы:

1. I комплекс (НАДН-КоQН 2 -редуктаза) – принимает электороны от митохондриального НАДН и транспортирует их на КоQ. Протоны транспортируются в межмембранное пространство. Промежуточным акцептором и переносчиком протонов и электронов являются ФМН и железосерные белки. I комплекс разделяет поток электронов и протонов.

2. II комплекс – сукцинат – КоQ - редуктаза – включает ФАД- зависимые дегидрогеназы и железосерные белки. Он транспортирует электроны и протоны от флавинзависимых субстратов на убихинон, с образованием промежуточного ФАДН 2 .

Убихинон легко перемещается по мембране и передает электроны на III комплекс.

3. III комплекс – КоQН 2 - цитохром с - редуктаза – имеет в своем составе цитохромы b и с 1 , а также железосерные белки. Функционирование КоQ с III комплексом приводит к разделению потока протонов и электронов: протоны из матрикса перекачиваются в межмембранное пространство митохондрий, а электроны транспортируются далее по ЦТД.

4. IV комплекс – цитохром а - цитохромоксидаза – содержит цитохромоксидазу и транспортирует электроны на кислород с промежуточного переносчика цитохрома с, который является подвижным компонентом цепи.

Существует 2 разновидности ЦТД:

1. Полная цепь – в нее вступают пиридинзависимые субстраты и предают атомы водорода на НАД-зависимые дегидрогеназы

2. Неполная (укороченная или редуцированная) ЦТД в которой атомы водорода передаются от ФАД-зависимых субстратов, в обход первого комплекса.

Окислительное фосфорилирование АТФ

Окислительное фосфорилирование – процесс образования АТФ, сопряженный с транспортом электронов по цепи тканевого дыхания от окисляемого субстрата на кислород. Электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, поэтому их транспорт по ЦТД сопровождается снижением свободной энергии. В дыхательной цепи на каждом этапе снижение свободной энергии происходит ступенчато. При этом можно выделить три участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Эти этапы способны обеспечить энергией синтез АТФ, так как количество выделяющейся свободной энергии приблизительно равно энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата.

Для объяснения механизмов сопряжения дыхания и фосфорилирования выдвинут ряд гипотез.

Механохимическая или конформационная (Грин-Бойера).

В процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое, богатое энергией конформационное состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ.

Гипотеза химического сопряжения (Липмана).

В сопряжении дыхания и фосфорилирования участвуют «сопрягающие» вещества. Они акцептируют протоны и электроны и взаимодействуют с Н 3 РО 4 . В момент отдачи протонов и электронов связь с фосфатом становится макроэргической и фосфатная группа передается на АДФ с образованием АТФ путем субстратного фосфорилирования. Гипотеза логична, однако до сих пор не выделены «сопрягающие» вещества.

Хемиоосмотическая гипотеза Питера Митчелла (1961г.)

Основные постулаты этой теории:

1. внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н + и ОН − ;

2. за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы дыхательной цепи из матрикса выкачиваются протоны;

3. возникающий на мембране электрохимический потенциал является промежуточной формой запасания энергии;

4. возвращение протонов в матрикс митохондрии через протонный канал АТФ синтазы является поставщиком энергии для синтеза АТФ по схеме

АДФ+Н 3 РО 4 →АТФ+Н 2 О

Доказательства хемиоосмотической теории:

1. на внутренней мембране есть градиент Н + и его можно измерить;

2. создание градиента Н + в митохондрии сопровождается синтезом АТФ;

3. ионофоры (разобщители), разрушающие протонный градиент, тормозят синтез АТФ;

4. ингибиторы, блокирующие транспорт протонов по протонным каналам АТФ-синтазы, ингибируют синтез АТФ.

Строение АТФ-синтазы

АТФ-синтаза – интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи и обозначается как V комплекс. АТФ-синтаза состоит из 2 субъединиц, обозначаемых как F 0 и F 1 . Гидрофобный комплекс F 0 погружен во внутреннюю мембрану митохондрий и состоит из нескольких протомеров, образующих канал по которому протоны переносятся в матрикс. Субъединица F 1 выступает в митохондриальный матрикс и состоит из 9 протомеров. Причем три из них связывают субъединицы F 0 и F 1 , образуя своеобразную ножку и являются чувствительными к олигомицину.

Суть хемиоосмотической теории: за счет энергии переноса электронов по ЦТД происходит движение протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство, где создается электрохимический потенциал (ΔμН +), который приводит к конформационной престройке активного центра АТФ-синтазы, в результате чего становится возможным обратный транспорт протонов через протонные каналы АТФ-синтазы. При возвращении протонов назад электрохимический потенциал трансформируется в энергию макроэргической связи АТФ. Образовавшаяся АТФ с помощью белка-переносчика транслоказы перемещается в цитозоль клетки, а взамен в матрикс поступают АДФ и Ф н.

Коэффициент фосфорилирования (Р/О) – число атомов неорганического фосфата, включенных в молекулы АТФ, в пересчете на один атом использованного поглощенного кислорода.

Пункты фосфорилирования – участки в дыхательной цепи, где энергия транспорта электоронов используется на генерацию протонного градиента, а затем в ходе фосфорилирования запасается в форме АТФ:

1. 1 пункт – между пиридинзависимой и флавинзависимой дегидрогеназами; 2 пункт – между цитохромами b и с 1 ; 3 пункт – между цитохромами а и а 3 .

2. Следовательно, при окислении НАД-зависимых субстратов коэффициент Р/О равен 3, так как электроны от НАДН транспортируются с участием всех комплексов ЦТД. Окисление ФАД-зависимых субстратов идет в обход I комплекса дыхательной цепи и Р/О равен 2.

Нарушения энергетического обмена

Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов деятельности. Нарушение какого-либо этапа метаболизма, приводящие к прекращению синтеза АТФ, гибельны для клетки. Ткани с высокими энергетическими потребностями (ЦНС, миокард, почки, скелетные мышцы и печень) являются наиболее уязвимыми. Состояния, при которых синтез АТФ снижен объединяют термином «гипоэнергетические». Причины данных состояний можно разбить на две группы:

Алиментарные – голодание и гиповитаминозы В2 и РР – возникает нарушение поставки окисляемых субстратов в ЦТД или синтез коферментов.

Гипоксические – возникают при нарушении доставки или утилизации кислорода в клетке.

Регуляция ЦТД.

Осуществляется с помощью дыхательного контроля.

Дыхательный контроль – это регуляция скорости переноса электронов по дыхательной цепи отношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание и активнее синтезируется АТФ. Если АТФ не используется, и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду. Накопление АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.

Американский биохимик Д. Чанс предложил рассматривать 5 состояний митохондрий, при которых скорость их дыхания ограничивается определенными факторами:

1. Недостаток SH 2 и АДФ – скорость дыхания очень низкая.

2. Недостаток SH 2 при наличии АДФ – скорость ограничена.

3. Есть SH 2 и АДФ – дыхание очень активно (лимитируется только скоростью транспорта ионов через мембрану).

4. Недостаток АДФ при наличии SH 2 – дыхание тормозится (состояние дыхательного контроля).

5. Недостаток кислорода, при наличии SH 2 и АДФ – состояние анаэробиоза.

Митохондрии в покоящейся клетке находятся в состоянии 4, при котором скорость дыхания определяется количеством АДФ. Во время усиленной работы могут пребывать в состоянии 3 (исчерпываются возможности дыхательной цепи) или 5 (недостаток кислорода) – гипоксии.

Ингибиторы ЦТД – это лекарственные препараты, которые блокируют перенос электронов по ЦТД. К ним относят: барбитураты (амитал), которые блокируют транспорт электронов через I комплекс дыхательной цепи, антибиотик антимицин блокирует окисление цитохрома b; монооксид углерода и цианиды ингибируют цитохромооксидазу и блокируют транспорт электронов на кислород.

Ингибиторы окислительного фосфорилирования (олигомицин) – это вещества, которые блокируют транспорт Н + по протонному каналу АТФ-синтазы.

Разобщители окислительного фосфорилирования (ионофоры) – это вещества, которые подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса электронов по ЦТД. Механизм действия разобщителей сводится к тому, что они являются жирорастворимыми (липофильными) веществами и обладают способностью связывать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, минуя протонный канал АТФ-синтазы. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.

Искусственные разобщители – динитрофенол, производные витамина К (дикумарол), некоторые антибиотики (валиномицин).

Естественные разобщители – продукты перекисного окисления липидов, жирные кислоты с длинной цепью, большие дозы йодсодержащих гормонов щитовидной железы, белки термогенины.

На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания. Митохондрии бурой жировой ткани продуцируют больше тепла, так как присутствующий в них белок термогенин разобщает окисление и фосфорилировние. Это имеет важное значение в поддержании температуры тела новорожденных.

ИОННЫЙ И ГАЗОВЫЙ МЕТАБОЛОМ ЖИДКИХ СРЕД ОРГАНИЗМА

Организм человека в среднем на 60% массы тела состоит из воды. Вода заполняет все составные части клеток и внеклеточного пространства и представляет собой среду, в которой осуществляются биохимические реакции, перенос веществ и химической энергии. Биохимические реакции протекают в водной среде организма при постоянной температуре.

Вода является средой, в которой растворены, или диспергированы, различные вещества, входящие в состав организма. В воде содержатся основные макрокомпоненты организма - белки, углеводы, липиды, а также микроэлементы, нуклеиновые кислоты и другие микрокомпоненты.

Вода - основа циркулирующих в организме жидкостей, она также принимает участие в обменных процессах.

Очевидно, что знание свойств растворов необходимо для понимания биохимических превращений в организме человека.

Растворы имеют большое значение как в повседневной жизни, так и в медицине. По современным представлениям, жизнь возникла в океане, который являл собой водный раствор неорганических и органических веществ. В ходе эволюции живые организмы развивались и менялись. Многие из них покинули океан и перешли на сушу. Однако животные и растения, выйдя из морской колыбели, сохранили в своих организмах водные растворы, содержащие различные неорганические ионы и органические вещества. Растворами являются плазма крови, спинномозговая жидкость и лимфа. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии или должны перейти в растворенное состояние в организме.

МЕТАБОЛИЗМ И МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

Метаболизм (от греч. metabole - «движение, изменение, превращение») - совокупность биохимических превращений веществ, поступающих в организм, и взаимопревращения веществ, из которых состоит организм.

Превращения (обмен) веществ в процессах метаболизма осуществляются через цепи последовательных реакций. Эти цепи последовательных реакций называют метаболическими путями (МП).

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием.

У человека и других млекопитающих метаболическим превращениям подвергаются продукты, абсорбируемые после переваривания содержащихся в пище белков, жиров и углеводов.

У жвачных животных (и в меньшей степени у других травоядных) целлюлоза переваривается симбиотическими микроорганизмами с образованием низших гомологов органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной); тканевый метаболизм у этих животных адаптирован к утилизации в качестве основного субстрата низших жирных кислот.

При экспериментальном исследовании метаболического пути, во-первых, индентифицируют реагирующие компоненты, выясняют стехиометрию и механизм для каждой из последовательных стадий процесса. Заключительным этапом такого исследования является воспроизведение ферментативных реакций в пробирке. Во-вторых, идентифицируют генетические, аллостерические и гормональные механизмы, с помощью которых осуществляется регуляция скорости данного метаболического процесса.

Метаболические пути в целом организме изучают либо методом определения вводимых в организм и выводимых из него веществ (в норме, а также в условиях стресса и патологии), либо методом перфузии (промывки) отдельных органов, либо методом переживающих срезов ткани. Очень перспективным считают метод, основанный на изучении полученных мутантных организмов с генетическими дефектами, а также метод меченых атомов.

Таблица 2.1. Взаимосвязь общего катаболизма (расщепления) и анаболизма (синтеза)

Метаболизм включает катаболизм и анаболизм.

Катаболизм - фаза распада, ферментативное расщепление сложных молекул на более простые, метаболический путь от сложного к простому.

Анаболизм - синтез сложных молекул из малых, метаболический путь от простого к сложному.

В свою очередь, каждый из этих процессов (катаболизм и анаболизм) состоит из двух одновременно протекающих взаимосвязанных процессов:

Промежуточного метаболизма - последовательности ферментативных реакций распада или синтеза, промежуточные продукты которой носят название «метаболиты»;

Энергетического сопряжения - превращений энергии в реакциях метаболизма, в результате которых энергия либо запасается в высокоэнергетичных соединениях (АТФ, NADPH), либо расходуется при распаде этих соединений (табл. 2.1).

Процессы общего катаболизма можно разбить на три основные стадии (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Три основные стадии катаболизма

Первые две стадии катаболизма - расщепление белков, полисахаров и липидов до пирувата и ацетил-кофермента-А (ацетил-КоА). Третья стадия - цикл лимонной кислоты, основной процесс, обеспечивающий организм энергией и различными метаболитами.

Процессы анаболизма также включают три стадии. Исходными веществами, или строительными блоками, служат для анаболизма соединения, поставляемые процессами катаболизма.

Катаболические и анаболические пути не совпадают между собой.

Метаболизм пищевых веществ. Поступающая в организм пища, в значительной мере состоящая из белков, углеводов и жиров, должна быть деструктурирована до таких компонентов, как аминокислоты, гексозы, жирные кислоты, которые непосредственно участвуют в процессах метаболизма. Превращение исходных веществ в резорбируемые субстраты происходит поэтапно в результате процессов катаболизма, проходящих с участием различных ферментов.

Предыдущая статья: Что делать, когда плохо на душе и хочется плакать Следующая статья: Служебный роман закончился: Как работать с бывшим парнем?