Биоенергетика Цели Цели на преподавателя



страница1/7
Дата01.06.2017
Размер0.79 Mb.
#22602
  1   2   3   4   5   6   7
Биоенергетика
Цели

Цели на преподавателя:

1. Да се разгледат биологичното окисление и спрегнатото с него окислително фосфорилиране, чрез които енергията на химични връзки в различни вещества се освобождава и акумулира в макроергични съединения, за да се използва за осигуряване на жизнените процеси;


2. Да се опише свободното окисление, ролята му за топлопродукция, за детоксикация и в метаболизма, както и получаването и обезвреждането на реактивни производни на кислорода;
3. Да се дадат примери за ползата от тези познания за клиничната практика.

След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели:

А. Знания

1. Да дефинират понятието макроергични съединения и да дадат примери за различни видове макроергични съединения;

2. Да знаят що е биологично окисление и какви видове има;

3. Да дават примери за субстрати на биологичното окисление и за крайни акцептори на редуциращи еквиваленти;

4. Да дефинират понятията оксидо-редукция, редокс-системи и да изброят редокс-системите с биологично значение;

5. Да дадат определение за окислително фосфорилиране на сустратно ниво и в дихателната верига;

6. Да дадат определение за оксидо-редоксази;

7. Да опишат особеностите на дехидрогенази, оксидази, оксигенази и хидроксипероксидази и дадат пример за реакция, катализирана от тях;

8. Да изброят редокс-системите с биологично значение и да посочат каква е тяхната роля

9. Да дадат примери за процеси на субстратно фосфорилиране;

10. Да опишат структурата и функциите на пируватдехидрогеназния комплекс;

11. Да дадат определение за дихателни вериги;

12. Да посочат компонентите на дихателната верига и принципа на подреждането им между субстрата и кислорода;

13. Да посочат значението и компонентите на електрон-пренасящите вериги в ендоплазмения ретикулум и да дадат примери за такива вериги;

14. Да посочат активните производни на кислород и начините за тяхното обезвреждане;

15. Да посочат значението на цитратния цикъл за катаболизма и анаболизма;

16. Да знаят кои витамини са необходими за протичане на цитратния цикъл;

17. Да посочат кои са анаплеротичните реакции за цитратния цикъл.



Б. Разбирания

1. Да разбират и обяснят особеностите на живите организми като отворени системи;

2. Да обяснят значението на системата АТФ/АДФ за енергийната обмяна в клетките;

3. Да обяснят действието и значението на ензима трансхидрогеназа;

4. Да разбират и обяснят разликата между анаеробни и аеробни дехидрогенази;

5. Да посочат приликите и разликите между НАД и НАДФ и да обяснят биологичната им роля;

6. Да обяснят ролята на окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат;

7. Да обяснят ролата на енолазната реакция;

8. Да обяснят ролята на окислителното декарбоксилиране на -кетокиселините пируват и -кетоглутарат;

9. Да обяснят ролята на витамините В1, В2, РР и пантотенова киселина за окислителното декарбоксилиране на -кетокиселините;

10. Да обяснят механизма на топлопродукцията и ролята на термогенин;

11. Да представят метаболитната и енергийна равносметка при разграждане на една молекула ацетил-КоА в цитратния цикъл;

12. Да обяснят значението на анаплеротичните реакции за цитратния цикъл.

В. Умения

1. Да свържат предишни познания върху нуклеотиди и кофактори с новите познания върху биологични редокс-системи, за да представят с формули как протича редокс-процес между субстрат и редокс-системи като НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, КоQ;

2. Да представят с формули молекулния механизъм на окислителното фосфорилиране на глицералдехид-3-фосфат;

3. Да представят с формули молекулния механизъм на окислителното декарбоксилиране на -кетокиселините пируват и -кетоглутарат;

4. Да демонстрират значението на експериментите с инхибитори на електронния транспорт за установяване подреждането на компонентите на дихателната верига;

5. Да прилагат хемиосмотическата хипотези за механизма на окислителното фосфорилиране за да обяснят действието на разпрягащи агенти и инхибитори на окислителното фосфорилиране;

6. Да демонстрират ролята на НАДФН за обезвреждане на свободните радикали, производни на кислород;

7. Да представят с формули химизма на цитратния цикъл;

8. Да демонстрират връзките на цитратния цикъл с дихателните вериги;

9. Да демонстрират ролята на витамините за протичане на цитратния цикъл;

10. Да демонстрират регулацията на цитратния цикъл.

5.1 Особености на живите организми от термодинамична гледна точка

5.1.1 Резюме

Първият закон на термодинамиката (Енергията остава постоянна) и вторият закон (Спонтанните процеси увеличават безпорядъка във вселената) са приложими за биохимичните процеси.

От промяната в свободната енергия (G = H - TS) може да се определи дали реакцията протича спонтанно.
Ако G < 0, реакцията е спонтанна и екзергонична. Ако G << 0, реакцията отива до край и е необратима. Реакции, близко до равновесието, са лесно обратими.
Ако G > 0, реакцията е ендергонична и протича само, ако в системата се внася енергия.
Ако G = 0, системата е в равновесие и не се извършва никаква промяна.

Промяната в стандартната свободна енергия за даден процес (Go') може да се изчисли от неговата експериментално определяна равновесна константа.

За окислително-редукционни процеси Go' се изчислява от разликата в нормалните редокс-потенциали на реагиращите вещества (Go' = - nF Eo').

Живите организми са отворени системи. Затова при тях има важни особености:


1) Поради непрекъснато извличане на продуктите на реакциите в следващи реакции не се достига до термодинамично равновесие, а се установява стационарно състояние, при което се отделя енергия и може да се извършва работа.
2) Като източник на енергия те могат да ползват само химичната енергия, отделяна при окислителни екзергонични катаболитни процеси. Топлинната енергия не може да бъде изолзвана.
3) Ендергонични процеси в организмите протичат за сметка на енергия, отделена при екзергоничните процеси и съхранена в макроергични връзки. Т.е. спрягането между екзергоничните и ендергоничните процеси става чрез макроергични съединения.

Макроергични връзки са тези, при чието


хидролитно разграждане Go' е най-малко 30 kJ/mol до 70 kJ/mol. При хидролитно разграждане на нормоергични връзки Go' е от 8 до 21 kJ/mol.

Адениловата система (АТФ/АДФ) е най-често използваният посредник между екзергоничните и ендергонични процеси. Синтезата на АТФ от АДФ и неорганичен фосфат за сметка на енергия от окислителен процес се означава като окислително фосфорилиране. Разграждането на АТФ до АДФ и Ф или до АМФ и пирофосфат осигурява с енергия различни ендергонични процеси (активиране на субстрати, биосинтези, мускулно съкращение, осмотична работа и пр.)

Макроергичните връзки в АТФ и АДФ са пирофосфатни.
Други видове макроергични съединения, предшественици на АТФ, са метаболити от важни обменни пътища: фосфоенолпируват и 1,3-бисфосфоглицерат от гликолиза, различни ацил-КоА - метаболити от разграждане на мастни киселини, креатин фосфат - резервно макроергично съединение в мускулите и др.
АТФ не е най-богатото на енергия макроергично съединение. Go' при хидролиза на АТФ има междинна стойност спрямо другите макроергични и нормоергични съединения. Тази междинна стойност определя централната роля на адениловата система в енергетичната обмяна. Тя позволява на АДФ да поема енергия от други макроергични съединения, предшественици на АТФ, а полученият АТФ да отдава енергията на различни нормоергични съединения, за да ги активира.

5.1.2 Общи закони на термодинамиката (кратък преговор)

Всеки жизнен процес е съпътстван от енергетични трансформации. Биоенергетиката, или биохимичната термодинамика, е тази част от биохимията, която изучава енергетичните промени, придружаващи биохимичните реакции.

Живите организми се подчиняват на общите закони на термодинамиката, но тъй като са отворени системи, при тях има важни особености.


Първият общ закон за запазване на енергията гласи, че при всяка физична или химична промяна общата енергия на системата и обкръжаващата я среда остава постоянна.
Вторият общ закон гласи, че Вселената се стреми към безпорядък.
От тези закони произтичат важни следствия:
1) Химичните процеси се провеждат в посока към равновесието и се преустановяват, когато то е достигнато.
2) Всички реални процеси протичат с увеличение на ентропията.

За затворени системи е в сила равенството:

G = H - T S
                        (5.2.1)

или в условията на биохимичните реакции:

G = Е - T S                        (5.2.2)

където
G - промяна в свободната енергия, т.е тази част от общата енергетична промяна в системата, която се използва за полезна работа;


H - промяна в енталпията (топлинното съдържание);
Е - тотална промяна във вътрешната енергия на реакцията;
S - промяна в ентропията;

5.1.3 Използваема енергия и промени в ентропията

Източник на енергия за човека и животните е само химическата енергия, отделяна при разграждане на химични връзки на различни вещества (горива) в окислителни процеси в хода на катаболизма. Фотосинтезиращите организми ползват директно слънчева енергия. Топлинната енергия не може да се използва от живите организми за полезна работа.

При тях може да се извършва работа и да настъпват промени в свободната енергия, без да се увеличава ентропията. Тя може да остава постоянна или дори да намалява, за сметка на процеси, настъпващи в околната среда. Това не противоречи на втория термодинамичен закон, ако приемем организма и околната му среда за една обща затворена система.

5.1.4 Стационарно състояние, а не термодинамично равновесие

Химичните реакции в отворените системи рядко достигат до равновесно състояние. Те протичат постоянно еднопосочно. Равновесието не може да се достигне, защото продуктите на реакцията се извличат непрекъснато. Ако скоростите, с които протичат реакциите в една метаболитна верига, са еднакви, концентрациите на междинните метаболити остават постоянни за даден период от време - настъпва състояние на привидно равновесие, което се различава от термодинамичното и се означава като стационарно състояние. В това състояние при привидно равновесие, системата може постоянно да отделя свободна енергия, т.е. да извършва работа.

5.1.5 Спрягане на екзергонични и ендергонични реакции в организма

В организма се извършват два типа противоположни, но взаимозависими процеси (фиг. 5-1).

1) процеси, които доставят енергия - те са окислителни, катаболитни и екзергонични. Такива процеси са напр. гликолиза, -окисление на мастни киселини и пр., окислението в дихателната верига и др. Усилват се при гладуване и стрес.

2) процеси, които се нуждаят от енергия - те са редукционни, анаболитни и ендергонични. Такива процеси са биосинтезите, мускулното съкращение, нервното възбуждение, осмотична работа, клетъчно деление и др. Усилват се, когато има акумулирана енергия, излишъци от субстрати и в периоди на растеж и регенерация на тъкани.

Обединяването или спрягането на тези два противоположни типа процеси става чрез макроергични (богати на енергия) вещества. В тях освободената при екзергоничните процеси енергия се акумулира в биологично използваема форма - в особени макроергични връзки (виж т. 5.1.6), чрез чиято енергия се осигуряват ендергоничните жизнени процеси.






Фиг. 5-1. Спрягане на процесите, доставящи и консумиращи енергия чрез макроергични съединения (по Николов [1] с разрешение).

В живите организми едновременното или последователно протичане на ендергонична и екзергонична реакция с общ метаболит осигурява протичането на ендергоничната реакция. Например в реакцията

глюкоза + Ф <======> глюкозо-6-фосфат + H2O      G1o' = + 13.8 kJ/mol

Тази реакция е ендергонична и не може да протече. Ако едновременно с нея се извърши екзергоничната реакциия

АТФ + H2O <=====> АДФ + Ф       G2o' = - 30.5 kJ/mol

то цялостната спрегната реакция ще бъде екзергонична:

глюкоза + АТФ <====> глюкозо-6-фосфат + АДФ
Go' = + 13.8 - 30.5 = - 16.7 kJ/mol
В отворени системи една ендергонична реакция може да протече, и ако продуктът се изтегля в следваща силно екзергонична реакция (виж напр. т. 5.3.4).

5.1.6 Макроергични съединения - определение, значение и видове

Макроергични връзки са тези, при чието хидролитно разграждане промяната на стандартната свободна енергия Go' e най-малко 30 кJ/mol (до 70 кJ/mol). При хидролитно разграждане на обикновени ковалентни връзки като естерни, гликозидни, пептидни (нормоергични връзки) Go' e от 8 до 21 кJ/mol. Макроергичните връзки се отбелязват със символа ~.

Макроергичните съединения се оприличават на акумулатор - способен да се зарежда с енергия от различни генератори, а от своя страна може да снабдява с енергия различни системи и процеси (фиг. 5-2-1). Ролята на такъв унифициран акумулатор се изпълнява най-вече от адениловата система АДФ/АТФ, позната от глава 3. Зареждането се състои в синтеза на АТФ от АДФ и Ф (или фосфорилиране на АДФ с Ф до АТФ) за сметка на енергия, отделена при окислителен процес. Затова този процес се нарича окислително фосфорилиране. Изпразването на акумулатора се състои в разграждане на АТФ до АДФ и Ф. В някои случаи АТФ се разгражда до АМФ и пирофосфат (ФФ) и това придава допълнителна гъвкавост на адениловата система в нейните функции на посредник между екзергоничните и ендергоничните процеси.








Фиг. 5-2-1. Адениловата система (АДФ/АТФ) - посредник между екзергоничните и ендергоничните процеси. Окислително фосфорилиране е синтеза на АТФ от АДФ и неорганичен фосфат (Ф), за сметка на енергия, отделена при окислителен процес. Разграждането на АТФ до АДФ и Ф или до АМФ и пирофосфат (ФФ) осигурява протичането на ендергоничните процеси.

Макроергичните връзки в АТФ и АДФ са пирофосфатни (фиг. 5-2-2). В АТФ и в останалите нуклеозидтрифосфати има три фосфатни връзки: ,  и . Първата е обикновена естерна, а останалите две са макроергични (пирофосфатни). Най-често за работа се използва енергията на -връзката, и по-рядко тази на -връзката. В АДФ и в останалите нуклеозиддифосфати има една макроергична пирофосфатна и една естерна връзкa.






Фиг. 5-2-2. Пирофосфатни макроергични връзки в АТФ и АДФ.

Конкретни примери за други видове макроергични съединения са дадени в табл. 5-1. Посочена е ролята им в обмяната. Тук спадат фосфоенолпируват, 1,3-бисфосфоглицерат, креатин фосфат, различни ацил-КоА и други. Дадени са и стойностите на промяната в стандартната свободна енергия (Go') при хидролиза на тези съединения.

Табл. 5-1. Важни метаболити, съдържащи макроергични връзки*.

Макроергични
съединения


Макроергична връзка

Go'
kJ/mol


Роля в обмяната



Фосфоенолпируват



енолфосфатна

- 61,9

метаболит от гликолиза и глюконеогенеза



1,3-бисфосфоглицерат



ацилфосфатна

- 49,3

метаболит от гликолиза и глюконеогенеза



Креатинфосфат



гуанидин-фосфатна

- 43,0

резервно макроергично съединение в мускулите



Различни ацил-КоА,
напр. ацетил-КоА



тиоестерна

- 31,4

метаболити от -окисление и др.



нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфати
напр. АТФ --> АМФ + Ф-Ф
 АТФ -->АДФ+Ф

пирофосфатна

- 32,2
- 30,5



активиране на огромен брой субстрати чрез фосфорилиране



 *Стойностите за Go' са по Montgomery et al., 1996 [2], Harper et al., 1996 [3] и Lehninger et al., 1993 [4].

5.1.7 Хидролиза на АТФ при физиологични условия

При стандартни условия Go' за реакцията

АТФ + Н2О --> АДФ + Ф


e - 30.5 KJ/mol (табл. 5-1). В живите клетки физиологичните концентрации на АТФ, АДФ и Ф не са 1 mol/L, а обикновено 5, 4 и 2.1 mmol/L, съответно. Концентрацията на водата при стандартни и физиологични условия се приема за единица в разредени разтвори. Замествайки тези стойности в ур. 5.2.3, за G се получава стойността - 42.7 KJ/mol, което е значително над стойността (-30.5 KJ/mol), изчислена при еквимоларни концентрации.


G = Go + RT ln [AДФ] [Ф]  /  [АТФ]  [Н2О] =


 = -30.5 + 1.98 (273+30) 2.303 log [(4 x 10-3) (2.1 x 10-3) / 5 x 10-3] =
 = - 42.7 KJ/mol

Фосфорната киселина се намира на различни енергетични нива в организма. Свободната фосфорна киселина е на нулево енергетично ниво. Естерно-свързаната фосфорна киселина е на нормално енергетично равнище (нормо-равнище). Изграждащата макроергични връзки фосфорна киселина е на високо енергетично равнище. При окислителното фосфорилиране фосфат се издига от нулево до високо равнище. При хидролиза на АТФ до АДФ и Ф фосфатната група преминава обратно от високо на нулево ниво. При активиране на субстрати, напр. в реакцията

АТФ + глюкоза ---> АДФ + глюкозо-6-Ф

фосфатната група се пренася от високо ниво на нормоергично ниво.

5.1.8 Централна роля на адениловата система за енергетичната обмяна в клетките

От табл. 5-1 в т. 5.1.6. се вижда, че АТФ не е най-богатото на енергия съединение - промяната в стандартната свободна енергия Go' при хидролиза е значително по-ниска от тази за други макроергични съединения. Но адениловата система има централна роля в биоенергетиката, именно поради междинната стойност за Go' спрямо другите макроергични съединения и нормоергичните съединения. Тази междинна стойност позволява АДФ да поема енергия от други макроергични съединения - предшественици на АТФ, а полученият АТФ да отдава енергия на различни нормоергични съединения, за да ги активира (фиг. 5-3). Креатин фосфат е резервно макроергично съединение в мускулите.








Фиг. 5-3. Централна роля на адениловата система АТФ/АДФ за енергетичната обмяна в клетките.

5.2 Биологично окисление

5.2.1 Резюме

В живите организми, както и в неживата природа, окислението (отделяне на електрони) винаги се съпътства от редукция (приемане на електрони). Редокспотенциалът, изразяван чрез уравнението на Нернст, е количествен израз на афинитета на веществата към електроните. При редокс-процеси електроните се придвижват от редокс-система с по-нисък редокс-потенциал към редокс-система с по-висок редокс-потенциал.

Клетки, които изискват кислород като електронен акцептор при окислението, имат аеробен метаболизъм, а тези, които не използват кислород, имат анаеробен метаболизъм. Аеробният метаболизъм се състои от три фази:
1) разграждане на биополимери в храносмилателния тракт до мономери. В тази фаза няма окислителни реакции, не се синтезират макроергични съединения.

2) превръщане на мономерите в ацетил-КоА. Отделни разградни реакции на различни субстрати са окислителни (субстратно окисление). Синтезата на АТФ за сметка на енергия от субстратно окисление се означава като субстратно фосфорилиране.


3) разграждане на ацетил-КоА в цитратния цикъл до СО2 и Н2О.

Водородът, отделен от метаболити на цикъла, попада в дихателната верига. При окислението му в нея се отделят значителни количества енергия, която се акумулира в АТФ.


Биологичното окисление се отличава със следните особености:
1) То се катализира от оксидо-редуктази, които го ускоряват, придават му специфичност и възможност за регулация. Тези ензими са двукомпонентни - действат съвместно с редокс-системи.
2) В повечето случаи водородът или електроните, отделени от субстратите на биологичното окисление, не достигат директно до кислорода или друг краен акцептор. Това става постепенно и многостъпално, в поредица от реакции под действие на ензими с техните редокс-системи с нарастващ редокс-потенциал.
3) Поради това енергията се отделя също на порции, а не експлозивно и може да се съхрани в макроергични съединения.
4) В по-редки случаи кислородът участва директно в окислителни реакции без освободената енергия да се акумулира в макроергични съединения. Освен метаболитно значение, тези реакции имат значение и за топлопродукцията.

Оксидо-редуктазите се делят на четири групи:

1) анаеробни дехидрогенази, катализиращи съвместно с никотинамидни или флавинови редокс-системи окисление на субстрати или окисление в дихателната верига. Тук спадат и анаеробните транселектронази (цитохроми).

2) аеробни оксидази, които използват кислород за акцептор на водорода, отделен от субстратите, при което се получава:


а) Н2О (цитохром с оксидаза, крайният ензим в дихателната верига) или
б) Н2О2 (аминоацидооксидази, ксантин оксидаза и др.).

3) оксигенази:


а) монооксигенази, които хидроксилират неспецифично лекарства и други чужди за клетката вещества с цел обезвреждане или катализират стереоспецифични хидроксилирания в биосинтезата на различни стероиди и
б) диоксигенази, които вмъкват 2 атома кислород в ароматни пръстени, последвано от окислително разтваряне на пръстена (хомогентизинат оксидаза).

4) хидрокспероксидази (пероксидази, каталаза) - обезвреждат токсични прекиси и получаващите се от тях свободни радикали, които увреждат белтъци, нуклеинови киселини, мембрани.

Към редокс-системите с биологично значение спадат:

1) Никотинамидни


Те са със сравнително нисък редокс-потенциал. Като кофактори на анаеробни дехидрогенази лесно дехидрогенират стотици различни субстрати. НАДН предава водорода в дихателната верига, а НАДФН - за редукционни биосинтези.

2) Флавинови


Те са с по-висок редокс-потенциал от никотинамидните и са коензими или простетични групи на свързаните с дихателната верига дехидрогенази и на някои оксидази. Освен напълно редуцирана и окислена форма, имат и семихинонова форма, с което улесняват прехода от дву- към едноелектронен пренос.

3) С хинонова структура


KoQ (убихинон) е хидрофобен мобилен компонент на дихателната верига. Напълно редуцираната и окислената форми не са свързани с белтък. Семихиноновата форма е прикрепена към Q-свързващ белтък във вътрешната митохондрийна мембрана.

4) Метал-съдържащи:


Тук спадат железни и медни йони, свързани към белтъчен компонент, Fe-S белтъци и различни хемове - простетични групи на цитохроми. Осъществяват едноелектронен пренос в дихателната верига и в електронопреносителни вериги в ендоплазмения ретикулум.

5) С тиолови групи:


Тези редокс-системи (липоева киселина и глутатион) в окислената си форма съдържат дисулфиден мост, а в редуцираната - сулфхидрилни групи. Липоат е простетична група на дихидролипоил трансацетилаза от окислителното декарбоксилиране на -кето киселини. Глутатион е добър редуктор и наред с НАДФН участва в процеси на обезвреждане на токсични радикали.

6) Аскорбинова киселина (витамин С)


Това съединение е важен анти-оксидант, необходим за обезвреждане на токсични свободни радикали.

5.2.2 Дефиниция на основни понятия

За биологичното окисление е валидна дефиницията за окислително-редукционен процес, в който при окисление от веществата се отделят електрони, а при редукция веществата приемат електрони (вж табл. 5-2).


Каталог: docs -> biohimia
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Белтъци Цели Цели на преподавателя
biohimia -> Захарен диабет Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Ензими Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания


Сподели с приятели:
  1   2   3   4   5   6   7




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница