Тема 11. Биологическое окисление: гликолиз; аэробный путь (2 часа)

Цели:

1. ознакомление с основными путями ресинтеза АТФ

2. способностью использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4) профиль подготовки Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

3. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

4. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).

Содержание: Понятие о метаболизме и его функциях. Катаболические, анаболические и амфиболические пути в обмене веществ, их значение и взаимосвязь. Энергетические циклы в живой природе.

Введение в энергетику биохимических реакций. Обратимые и необратимые, экзергонические и эндергонические реакции.

Понятие о высокоэнергетических и низкоэнергетических биологических соединениях. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии.

Роль АТФ в метаболизме и функции клетки. Биологическое окисление и окислительное фосфорилирование. Биологическое окисление, его характеристика и роль как основного энергопроизводящего пути гетеротрофных организмов. История развития учения о биологическом окислении. Современная теория биологического окисления. Структура митохондрий. Механизм окисления субстратов ферментами митохондрий. Структурная организация ферментов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий. Величина редокс-потенциалов переносчиков электронов и каскадные изменения свободной энергии при переносе электронов по дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Гипотезы сопряжения: химическая, конформационная, хемоосмотическая. Характеристика хемиосмотической или протондвижущей гипотезы окислительного фосфорилирования. Дыхательный контроль как основной механизм регуляции сопряжения окисления и фосфорилирования. Ингибиторы тканевого дыхания и фосфорилирования. Разобщение окисления и фосфорилирования.

Окисление пирувата и цикл лимонной кислоты как общие пути катаболизма углеводов, липидов, аминокислот. Механизм окислительного декарбоксилирования пирувата полиферментным пируватдегидрогеназным комплексом. Структура этого комплекса, основные стадии превращения пирувата в ацетил~SКоА. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций, характеристика ферментов, его роль как генератора водорода для дыхательной цепи ферментов митохондрий. Аллостерические механизмы регуляции цикла лимонной кислоты. Анаболические функции этого процесса. Ингибиторы ферментов цикла лимонной кислоты. Регулируемые компоненты митохондриального метаболизма.

Субстратное фосфорилирование. Понятие о субстратном фосфорилирование, его механизм и роль в биоэнергетике аэробных и анаэробных организмов.

Интерактивная форма. Работа с интернет источниками.Современные представлениястроения цепи переноса протонов и электронов.

При освоении темы необходимо:

ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Изучить термины. Обратить внимание на пути ресинтеза АТФ, активации цикла Кребса.

Гликолиз (фосфотриозный путь, или шунт Эмбдена— Мейерхофа, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса)— ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных. Гликолитический путь представляет собой 10 последовательных реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом.

Процесс гликолиза условно можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2 молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом, то есть не требует для протекания реакций присутствия кислорода.

Гликолиз — один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5млрд лет назад у первичных прокариотов. По биохимическим реакциям сходен с брожение различие на последней стадии. Устойчив к внешним воздействиям. Протекает в кислых условиях рН. Ферменты не связаны с мембранами.

В клетках эукариотических организмов десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до ПВК, находятся в цитозоле, все остальные ферменты, имеющие отношение к энергетическому обмену,— в митохондриях и хлоропластах. Поступление глюкозы в клетку осуществляется двумя путями: натрий-зависимый симпорт (преимущественно для энтероцитов и эпителия почечных канальцев) и облегчённая диффузия глюкозы с помощью белков-переносчиков. Работа этих белков-транспортёров контролируется гормонами и, в первую очередь, инсулином. Сильнее всего инсулин стимулирует транспорт глюкозы в мышцах и жировой ткани.

Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД∙H.

Полное уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты которая менее токсична для организма, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ. В гликолитических реакциях сохраняется количественный состав. Энергия образуется за счет перераспределения химических связей. У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания— окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода,— дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.

Известно, что в норме 5-7% общей энергии клетка получает за счет гликолиза, а 95% -

путем аэробного окисления глюкозы до СО₂ и Н₂О. В раковых клетках такое соотношение не

сохраняется: интенсивность гликолиза резко возрастает, его активность превышает аэробное окисление. Энергетический баланс полного аэробного окисления глюкозы:

Количество синтезированных молекул АТФ:

- на этапе аэробного гликолиза (до образования ПВК)– 2 молекулы АТФ (реакции субстратного фосфорилирования);

- за счет окисления в митохондриях 2 мол. гликолитического НАДН2 – 4-6 мол. АТФ (в процессе аэробного гликолиза в цитоплазме клеток образуется 2 мол. НАДН2, которые транспортируются на дыхательную цепь митохондрий специальными челночными малат-аспартатной и глицерофосфатной системами; считается, что 2 мол. АТФ расходуются на процесс переноса);

- в процессе окислительного декарбоксилирования 2 мол ПВК: 2х3 = 6 мол.АТФ;

- в результате окисления 2 мол. ацетил-КоА в ЦТК Кребса: 2х12= 24 мол. АТФ.

Таким образом, общее количество АТФ, полученное при полном аэробном окисления 1 мол. глюкозы до СО₂ и Н₂О, составляет 36-38 мол. АТФ.

Цикл Кребса это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др. Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа, которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме. В каждой клетке человека есть от 100 до 1000 митохондрий, обеспечивающих жизнедеятельность энергией

При работе цикла Кребса окисляются различные продукты обмена, в частности токсичные недоокисленные продукты распада алкоголя, поэтому стимуляцию цикла Кребса можно рассматривать как меру биохимической детоксикации.[

Регуляция цикла

Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.

Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО₂ + АТФ = Оксалацетат (субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.

Функции

Интегративная функция— цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.

Катаболическая функция — превращение различных веществ в субстраты цикла:

Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен— Ацетил-КоА.

Арг, Гис, Глу— α-кетоглутарат.

Фен, тир — фумарат.

Анаболическая функция — использование субстратов цикла на синтез органических веществ:

Оксалацетат— глюкоза, Асп, Асн.

Сукцинил-КоА— синтез гема.

CО₂ — реакции карбоксилирования.

Водорододонорная функция — цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН •Н⁺ и одного ФАДН₂.

Энергетическая функция — 3 НАД•Н⁺ дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН₂ дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи. Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

Если снабжение организма кислородом достаточно, то образования молочной кислоты не про­исходит, так как НАД • Н₂ отдает кислороду свой водород через цепь переносчиков.

При аэробном дыхании на каждую окисленную молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

С₆Н₁₂0₆ + 60₂-----------> 6С0₂ + 6Н₂0 + 38АТФ

Общее количество энергии, высвобождаемой при полном окислении глюкозы, составляет 2880 кДж на 1 моль.