Роль АТФ.

Как известно в биоэнергетике живых организмов имеют значение два основных момента:

а) химическая энергия запасается путём образования АТФ, сопряжённого с экзергоническими катаболическими реакциями окисления органических субстратов;

б) химическая энергия утилизируется путём расщепления АТФ, сопряжённого с эндергоническими реакциями анаболизма и другими процессами, требующими затраты энергии.

Встаёт вопрос, почему молекула АТФ соответствует своей центральной роли в биоэнергетике. Для его разрешения рассмотрим структуру АТФ

Структура АТФ4 -( при рН 7,0 тетразаряд аниона).

АТФ представляет собой термодинамически нестойкое соединение. Нестабильность АТФ определяется, во - первых, электростатическим отталкиванием в области кластера одноимённых отрицательных зарядов, что приводит к напряжению всей молекулы, однако сильнее всего связи - Р - О - Р, и во - вторых, конкретным резонансом. В соответствии с последним фактором существует конкуренция между атомами фосфора за неподелённые подвижные электроны атома кислорода, расположенного между ними, поскольку на каждом атоме фосфора имеется частичный положительный заряд в следствии значительного электронаицепторного влияния групп Р=О и Р - О-. Таким образом, возможность существования АТФ определяется наличием достаточного количества химической энергии в молекуле, позволяющей компенсировать эти физико - химические напряжения. В молекуле АТФ имеется две фосфоангидридных (пирофосфатных) связи, гидролиз которых сопровождается значительным уменьшением свободной энергии (при рН 7,0 и 37оС).

АТФ+Н2О = АДФ + Н3РО4 ДG0I = -31,0 КДж/моль.

АДФ+Н2О = АМФ +Н3РО4 ДG0I = -31,9 КДж/моль.

Одной из центральных проблем биоэнергетики является биосинтез АТФ, который в живой природе происходит путём Фосфорилирование АДФ.

Фосфорилирование АДФ является эндергоническим процессом и требует источника энергии. Как отмечалось ранее, в природе преобладает два таких источника энергии - это солнечная энергия и химическая энергия восстановленных органических соединений. Зелёные растения и некоторые микроорганизмы способны трансформировать энергию, поглощённых квантов света в химическую энергию, которая расходуется на фосфорилирование АДФ в световой стадии фотосинтеза. Этот процесс регенерации АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования. Трансформация энергии окисления органических соединений в макроэнергетические связи АТФ в аэробных условиях происходит преимущественно путём окислительного фосфорилирования. Свободная энергия, необходимая для образования АТФ, генерируется в дыхательной окислительной цепи митаходрий.

Известен ещё один тип синтеза АТФ, получивший название субстратного фосфорилирования. В отличии от окислительного фосфорилирования, сопряжённого с переносом электронов, донором активированной фосфорильной группой (- РО3 Н2), необходимой для регенерации АТФ, являются интермедианты процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. Во всех этих случаях окислительные процессы приводят к образованию высокоэнергетических соединений: 1,3 - дифосфоглицерата (гликолиз), сукцинил - КоА (цикл трикарбоновых кислот), которые при участии соответствующих ферментов способны фолирировать АДФ и образовывать АТФ. Трансформация энергии на уровне субстрата является единственным путём синтеза АТФ в анаэробных организмах. Этот процесс синтеза АТФ позволяет поддерживать интенсивную работу скелетных мышц в периоды кислородного голодания. Следует помнить, что он является единственным путём синтеза АТФ в зрелых эритроцитах не имеющих митохондрий.

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, и которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такой вещество называется аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). В химических связях между остатками фосфорной кислоты молекулы АТФ запасена энергия, которая освобождается при отщеплении органического фосфорита: АТФ= АДФ+Ф+Е, где Ф - фермент, Е - освобождающая энергия. В этой реакции образуется аденозинфосфорная кислота (АДФ) - остаток молекулы АТФ и органический фосфат. Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производство тепла, нервных импульсов, свечений (например, улюминисцентных бактерий), то есть для всех процессов жизнедеятельности.

АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулы АТФ.

Запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса АТФ хватает на 20 - 30 сокращений. При усиленной, но кратковременной работе мышцы работают исключительно за счёт расщепления содержащейся в них АТФ. После окончания работы человек усиленно дышит - в этот период происходит расщепление углеводов и других веществ ( происходит накопление энергии) и запас АТФ в клетках восстанавливается.

Глюкоза. Формула глюкозы.

Сахара имеют общую формулу С(Н2О)n, где n - целое число (от 3 до 7).

Всё сахара содержат гидроксильные, а также либо альдегидные, либо китонные группировки. Взаимодействую друг с другом, моносахара могут образовывать ди-, три- или олигосахариды. Сахара являются главным энергетическим субстратом клеток. Кроме того, они образуют связи с белками и липидами, а также являются строительными блоками при образовании более сложных биологических структур. Основными реакционоспособными группировками сахаров являются гидроксильные группы, участвующие, в частности, в образовании связей между мономерами.

Во всех клетках способных метаболизировать глюкозу, первой реакцией является её фосфорилирование до глюкозо - 6 - фосфата. Реакция катализируется ферментом гексокиназой, а донором фосфорильной группы является молекула АТФ.

Эта реакция практически необратима, дельта G0I= -16,74 КДж/моль. Гексокиназа, присутствующая во всех тканях, за исключением паренхимы печени имеет высокое средство к глюкозе, а также способна фосфорилировать и другие гексозы, но значительно с меньшей скоростью. В клетках печени эту функцию выполняет глюкокиназа, активность которой зависит от питания. Глюкокиназа специфична к глюкозе и эффективно функционирует только при высокой концентрации в крови глюкозы. Важным свойством глюкокиназы является ингибирование продуктом реакции глюкозо - 6 - фосфатом по аллостерическому механизму.

Фосфорилированная глюкоза не способна проходить через цитоплазматическую мембрану и оказывается “запертой” в клетке. Таким образом, глюкозо - 6 - фосфат является центральным метаболитом углеводного обмена и занимает важное положение в интеграции ряда метаболических путей (гликолиз, глюкогинез, пентозофосфатный путь, гликогенолиз).

Обратный процесс дефосфорилирования глюкозы идёт только в трёх тканях, клетки которых способны транспортировать глюкозу в кровь, а именно ткани печени, эпителия почечных канальцев тонкого кишечника. Это становится возможным благодаря действию гидролитического фермента глюкозо - 6 - фосфатазы, который катализирует реакцию:

О регуляции активности этого фермента до сих пор известно мало, а следовательно, неясно, какие факторы предотвращают непрерывный цикл фосфорилирования и дефосфорилирования глюкозы.

В растительном мире огромные количества глюкозы образуется путём восстановления диоксида углерода в процессе фотосинтеза. В организме животных глюкоза непрерывно синтезируется в строго регулируемых реакциях из простых предшественников. Предшественниками могут быть: 1) пируват или лактат; 2) некоторые аминокислоты; 3) любой другой компонент, который в процессе катаболизма может превращён в пируват или один из метаболитов ЦТК.

Биосинтез глюкозы из неуглеводных предшественников носит название глюконеогенез, а пируват обуславливает вхождение в этот процесс. Как отмечалось выше, в процесс глюконеогенеза вовлекают ряд аминокислот, после превращения их в пируват или оксалоацетат. Также аминокислоты получили название глюкогенных. Из продуктов деградации триацилглицералов только глицерол может участвовать в глюконеогенезе путём превращения его в дегидроксиацетон ( метаболит гликолиза), а затем в глюкозу.

Подобно тому как гликолиз представляет собой центральный путь катаболизма глюкозы, в процессе которого она распадается до двух молекул пирувата, превращение последних в глюкозу составляет центральный путь глюконеогенеза. Таким образом, глюконеогенез в основном протекает по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Однако три реакции гликолиза ( глюкоза > глюкозо - 6 - фосфат; фруктозо - 6 - фосфат > фруктозо - 1,6 - дифосфат; фосфоеноилпируват > пируват) необратимы, и в обход этих реакций в глюконеогенезе протекают другие реакции с иной стехиометрией, катализируемые другими ферментами. Известны 4 фермента, катализирующие реакции глюконеогенеза и не принимающие участие в гликолизе: пируваткарбоксилаза, фосфоеноилпируваткарбоксилаза, фруктозо - 1,6 - диофосфотаза, глюкозо - 6 - фосфотаза.

Они локализованы преимущественно в печени, где и происходит главным образом глюконеогенез. Значительно менее интенсивно этот процесс идёт в корковом веществе почек.

После того как в мышцах истощается запас глюкогена, основным источником пирувата становится аминокислоты, образующиеся после деградации белков. При этом более 30% аминокислот, поступающих из крови в печень, приходится на аланин - одну из глюкогенных аминокислот, углеродный скелет которой используется в печени как предшественник для синтеза глюкозы. Другим источником пирувата является лактат, который накапливается в интенсивно работающих мышцах в процессе анаэробного гликолиза, когда митохондрии не успевают реокислить накапливающийся НАДН. Лактат транспортируется в печень, где снова превращается в пируват, а затем в глюкозу и гликоген. Этот физиологический цикл называется циклом Кори (по имени его первооткрывателя). У цикла Кори две функции - сберечь лактат для последующего синтеза глюкозы в печени и предотвратить развитие ацидоза.

Энергетика обмена.

Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Благодаря обмену веществ происходит расщепление и синтез молекул, входящих в состав клеток, образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества . Например, у человека половина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем в течении 80 суток, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 суток, а белки мышц - 180, отдельные ферменты печени - каждые 2 - 4 часа. Обмен веществ неотделим от процессов превращения энергии: потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул в результате химических превращений переходит в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержания структуры и функции клеток, температуры тела, для совершения работы и так далее. Все реакции обмена веществ и превращения энергии протекают при участии биологических катализаторов - ферментов. У самых разных организмов обмен веществ отличается упорядочностью и сходством последовательности ферментативных превращений, несмотря на большой ассортимент химических соединений, вовлекаемых в обмен. В тоже время для каждого вида характерен особый, генетическизакреплённый тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов - ассимиляция и диссимиляция, или анаболизм и катаболизм. В ходе катаболических превращений происходит расщепление крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии, которая запасается в форме богатых энергией фосфатных связей, главным образом в молекуле АТФ и других богатых энергией соединений. Катаболические превращения обычно осуществляются в результате гидролитических и окислительных реакций и протекает как в отсутствии кислорода (анаэробный путь - гликолиз, брожение), так и при его участии (аэробный путь - дыхание). Второй путь эволюционно более молодой и в энергетическом отношении более выгодный. Он обеспечивает полное расщепление органических молекул до СО2 и Н2О. Разнообразные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в органическое число небольших молекул (помимо СО2 и Н2О): углеводы - в трифосфаты и (или) пируват, жиры - в ацетил - КоА, пропионил - КоА, оксалоацетат, б - кетоглютарат, фумарат, сукцинат и конечные продукты азотистого обмена - мочевину, аммиак, мочевую кислоту и другие.

В ходе анаболических превращений происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул - предшественников. Автотрофные организмы (зелёные растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный синтез органических соединений из СО2 с использованием энергии солнечного света (фотосинтез) или энергии окисления неорганических веществ. Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений. Исходным сырьём для процессов биосинтеза в этом случае служит небольшое число соединений, в том числе ацетил - КоА, сукцинил КоА, рибоза, пировиноградная кислота, глицерин, глицин, аспарагиновая, глутаминовая и другие аминокислоты. Каждая клетка синтезирует характерные для неё белки, жиры, углеводы и другие соединения. Например, глюкоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени. Как правило, синтез включает восстановительные этапы и сопровождается потреблением энергии.

Функции липидов.

Липиды (от греческого “липос” - жир) - низкомолекулярные органические соединения полностью или почти полностью нерастворимые в воде, могут быть извлечены из клеток животных, растений, и микроорганизмов неполярными органическими растворителями, такими как хлороформ, эфир, бензол.

Гидрофобность (или липофильность) является отличительным свойством этого класса соединения, хотя по природе химическому строению и структуре - они весьма разнообразны. В их состав входят спирты, жирные кислоты, азотистые соединения, фосфорная кислота, углеводы и другие. Следовательно, учитывая различия в химическом строении, функциях соединений, относящихся к липидам, дать единое определение для представителей этого класса веществ невозможно.

Роль липидов в процессе жизнедеятельности организма велика и разнообразна. К основным функциям липидов относятся структурная, энергетическая, резервная, защитная, регуляторная.

Структурная функция.

В комплексе с белками липиды являются структурными компонентами всех биологических мембран клеток, а следовательно, влияют на их проницаемость, участвуют в передаче нервного импульса, в создании межклеточного взаимодействия и других функциях биомембран.

Энергетическая функция.

Липиды являются наиболее энергоёмким “клеточным топливом”. При окислении 1г. жира выделяется 39 КДж энергии, что в два раза больше, чем при окислении 1г. углеводов.

Резервная функция.

Липиды являются наиболее компактной формой депонирования энергии в клетке. Они резервируются в адипоцитах - клетках жировой ткани. Содержание жира в организме взрослого человека составляет 6 - 10 кг.

Защитная функция.

Обладая выраженными термоизоляционными свойствами, липиды предохраняют организм от термических воздействий; жировая прокладка защищает тело и органы животных от механических и физических повреждений; защитные оболочки в растениях (восковой налёт на листьях и плодах) защищает от инфекции и излишней потери или накопления воды.

Регуляторная функция.

Некоторые липиды являются предшественниками витаминов, гормонов, в том числе гормонов местного действия - эйкозаноидов: простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Регуляторная функция липидов проявляется также в том, что от состава свойств, состояния мембранных липидов во многом зависит активность мембранно - связанных ферментов.

У бактерий липиды определяют таксономическую индивидуальность, дифференциацию видов, тип патогенеза и многие другие особенности. Нарушение липидного обмена у человека приводит к развитию таких патологических состояний, как атеросклероз, ожирение, метаболический ацидоз, желчнокаменная болезнь и других.

Литература.

1 В.П. Комов., В.Н. Шведова “Биохимия” - М.:”Дрофа” 2004 г.

2 Гл. ред. М.С. Гиляров. Ред.кол.: А.А. Абаев, Г.Г. Винберг, Г.А. Гаварзин и др. “Биологический энциклопидический словарь” - М.: Современная энциклопедия 1986 г.

3 З.А. Власова “Биология. Пособие для поступающих в ВУЗ” - М.: Филологическое общество Слово “Эксмо” 2003 г.

4 Под ред. Пр. Бр.Батанова “Клиническая педиатрия”: София 1988г.

Страницы: 1, 2