Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика

Ф КГМА 1-8-21/02

МУ «Организация  методической  работы в соответствии с ГОСО 2006 года» от 04.07.2007 г

КАРАГАНДИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биохимии

ЛЕКЦИЯ

Тема: Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика

Дисциплина Биологическая химия

Специальность 051102 – Общественное здравоохранение

Курс II

Время (продолжительность) 50 минут

Караганда 2008г.

Тема: Введение в биохимию. Введение в обмен веществ. Биоэнергетика

Цель лекции: ознакомить студентов с обменом веществ, общими путями катаболизма

План лекции:

1.Обмен веществ и питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Понятие о специфических и общих путях катаболизма.

2.Окислительное декарбоксилирование  пирувата.

3.Цикл лимонной кислоты.

1.Обмен веществ и питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Понятие о специфических и общих путях катаболизма.

Метаболизм или обмен веществ - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами  и энергией, необходимыми для жизнедеятельности.

Центральную роль в энергетическом обмене выполняет цикл АТФ - АДФ. Молекула АТФ содержит в себе три макроэргических связи. Макроэргической или богатой энергией называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты и это один из основных путей запасания энергии в организме.

Способы синтеза АТФ. 1. Окислительное фосфорилирование. Происходит только в присутствии кислорода. Основной принцип: для образования АТФ из АДФ  и неорганического фосфата используется энергия градиента электрохимического потенциала 2.Перенос фосфатного остатка на АДФ через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп.  Осуществляется в анаэробных условиях.

Субстратное фосфорилирование.  В этом случае неорганический фосфат  переносится на АДФ (ГДФ, ЦДФ) за счет высокого химического потенциала. Такие процессы называют «субстратным фосфорилированием», поскольку они являются частью метаболического пути («субстратной цепи»).

В макроэргических связях АТФ аккумулируется энергия, выделяемая в процессе катаболизма;  Энергия АТФ используется в реакциях анаболизма и обеспечивает различные виды работы, включая сокращение мышц, активный транспорт, продукцию тепла.

Метаболический путь - это последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Метаболиты – это промежуточные продукты, образующиеся на  разных этапах химического превращения вещества, последнее соединение метаболического пути называется  конечным продуктом.

Процесс распада сложных веществ на более простые называется катаболизмом. При этом высвобождается энергия. Синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом. Он идет с затратой энергии. Существует понятие амфиболизм, когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое.

Метаболический цикл - это метаболический путь, конечный продукт или один из конечных продуктов идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс.

Вещества, поступающие с пищей, называются субстратами метаболизма. К ним относятся основные пищевые вещества (белки, углеводы, липиды) и минорные (витамины, минеральные вещества). Белки, углеводы и липиды подвергаются гидролизу в пищеварительном тракте. В результате образуются  простые метаболиты, такие как глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты. В свою очередь эти метаболиты вступают в общие пути катаболизма и образуются пировиноградная кислота (пируват), либо ацетил - СоА. Пируват образуется в реакциях катаболизма глюкозы, глицерина и аминокислот.   Ацетил - СоА образуется в реакциях катаболизма жирных кислот,  аминокислот и из  пирувата.

2.Окислительное декарбоксилирование  пирувата.

Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма, который включает: окислительное декарбоксилирование пирувата и цитратный цикл. Итогом общего пути катаболизма является образование  конечных продуктов СО2 и Н2О.

2.Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Реакция катализируется тремя ферментами, работающими в определенной последовательности и объединенными в пируватдегидрогеназный комплекс. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.

Первый фермент комплекса - пируватдекарбоксилаза. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО2, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте - коферменту второго фермента с образованием ацетил-липоата. Кофермент пируватдекарбоксилазы - тиаминдифосфат.

Второй фермент комплекса -  дигидролипоат-ацетилтрансфераза. Имеет  два кофермента: липоевую кислоту, прочно соединенную с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Дигидролипоат-ацетилтрансфераза  катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS-СоА с образованием ацетил-СоА. Липоевая кислота превращается в дигидролипоат.

Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD+ с образованием  NADH+H+

NADH+H+ далее поступает в дыхательную цепь,  основная часть ацетил-СоА вступает в цитратный цикл. Также ацетил-КоА может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, кетоновых тел.

3.Цикл лимонной кислоты.

Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) - это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента, имеющего различное происхождение. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла локализованы в митохондриях.

Цикл назван в честь Ханса Кребса, который описал многие из этих реакций и в 1953 году получил Нобелев­скую премию.

Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) - это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента различного происхождения. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

- полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2;

- образование трех молекул NADH+H+ и одной молекулы FADH2;

- образовапие одной моѻекулы ГТФ в результате0с葃бстратного фосфорилированиэ.

Ряд промежуточных продуктов цитратного цикла служат предшественниками для синтеза других соединений. Так сукц␸нил-СоА используется для синтеза гема, оксалоаFетит и  -кетоглутарат - для синтеза аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Первая реакция цикла - это конденсирование ацетилКоА и оксалоацетата. При этом продуктом реакции является цитрат. Реакцию катализирует цитратсинтаза.

Вторая реакция: изомеризация цитрата в изоцитрат через  образование промежуточного продукта (аконитат, который остается связанным с ферментом) Реакцию катализирует аконитаза.

Изоцитрат превращается в -кетоглутарат (2-оксоглутарат). Реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа. В реакции происходит восстановление НАД+ до НАДН + Н+. СО2, который образуется в этой реакции, идёт на синтез цитрата.

(-кетоглутарат  превращается в сукцинилКоА с помощью альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса. В ходе этой реакции образуется СО2. Эта реакция - единственная необратимая реакция из десяти, составляющих ЦТК. В реакции происходит восстановление НАД+ до НАДН + Н+. Сукцинил-КоА - представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь.

Сукцинил-КоА  превращается в сукцинат и кофермент А. Реакцию катализирует сукцинилКоАсинтетаза (сукцинилтиокиназа). Энергия расщепления тиолсложноэфирной связи используется на образование фосфоангидридной связи: из ГДФ образуется ГТФ. Эта реакция субстратного фосфорилирования.  ГТФ превращается в АТФ в реакции, катализируемой нуклеозиддифосфаткиназой. Сукцинат превращается в  фумарат с последующим восстановлением ФАД. Реакцию катализирует сукцинатдегидрогеназа.

Фумарат превращается в малат. Реакцию катализирует фумараза. Малат превращается в оксалоацетат с последующим восстановлением НАД+ до НАДН + Н+. Реакцию катализирует малатдегидрогеназа.

Общий энергетический  баланс цитратного: за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с учетом реакции субстратного фосфориҳирования  (и последуюсего превращения  ГТФ в АТФ) - 1 молекул АТФ.  Окисленные коферменты вновь возвращаются в реакции общих путей катабЮлизма. РегенераІия коферментов - это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования

АнабОлические процессы быстро истощают пул некоторых метаболитов цитратного  цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет метаболитов, поступающих из других источников. Ферментативные процессы, пополняющие запас промежуточных продуктов цикла, называются анаплеротическими (возмещающими) реакциями. К ним относятся, например,  реакции катаболизма некоторых аминокислот с образованием пирувата.

Иллюстративный материал

Анимация «Введение в метаболизм»

Анимация «Пируватдегидрогеназный комплекс»

Анимация «Цикл Кребса»

Анимация «РеГуляция ЦТК»

Литератуـа:

1.Биохимия. Учебник /п>д редакцией член – корр РАН, проф. Е.С. Северина – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003.- 784 с

2. Марри Р., ГреНнер Д., Мейес П., Ѐодуэлл В. Биохимия челоВека: В  2-х томах. Т. 2. Пер. с ангЛ: - М.: Мир, 1993. - 384с.