Макроергічні сполуки. АТФ – універсальний акумулятор та джерело енергії в організмі. Цикл АТФ-АДФ. Енергетичний заряд клітини. Макроергічний зв'язок та з'єднання. Які зв'язки називаються макроергічні? Макроергічні зв'язки в молекулі атф

Головними матеріальними носіями вільної енергії в органічних речовин є хімічні зв'язки між атомами, тому при перетворенні хімічних зв'язків у молекулі рівень вільної енергії сполуки змінюється. Якщо зміна рівня вільної енергії сполуки при виникненні або розпаді хімічного зв'язку становить близько 12,5 кДж/моль речовини, що перетворюється, то такий зв'язок за своїм енергетичним рівнем вважається нормальним. Саме таку розмірність має зміна рівня вільної енергії під час перетворення більшості зв'язків в органічних сполуках. Однак при новоутворенні та розпаді деяких зв'язків рівень вільної енергії в молекулах ряду органічних сполук змінюється значно більшою мірою і становить 25-50 кДж/моль і більше. Такі сполуки називаються макроергічними сполуками, а зв'язки, при перетворенні яких наступають такі великі зміни в енергетичному балансі речовини, – макроергічні зв'язки. Останні на відміну звичайних зв'язків позначають значком “~”.

Макроергічні зв'язки представлені переважно складноефірними, в тому числі і тіоефірними, ангідридними та фосфоамідними зв'язками. Однак найбільш цікаво, що майже всі відомі сполуки з макроергічні зв'язки містять атоми Р і S, за місцем яких в молекулі ці зв'язки локалізовані.

Саме та енергія, яка вивільняється під час розриву макроергічних зв'язків, поглинається при синтезі органічних сполук з вищим рівнем вільної енергії, ніж вихідні. У той же час запаси макроергічних речовин в організмі постійно поповнюються шляхом акумулювання енергії, що виділяється при зниженні енергетичного рівня сполук, що розпадаються.

Таким чином, макроергічні речовини виконують функцію і донорів і акцепторів енергії в обміні речовин; вони служать як акумуляторами, і провідниками енергії в біохімічних процесах. З іншого боку, їм властива роль трансформаторів енергії, оскільки вони здатні перетворювати стаціонарну форму енергії хімічного зв'язку на мобільну, тобто. енергію збудженого стану молекули. Останній вид енергії і є безпосереднім джерелом реакційної здатності молекул; перетворюючись знову на стаціонарну форму енергії хімічного зв'язку, він енергетично забезпечує видозміну речовин, їх перетворення, тобто. їхній обмін в організмі.

До макроергічних сполук відносяться, головним чином, аденозинтрифосфорна кислота, креафо ы , ацетил- та сукцинілкоферменти А, аміноацильні похідні аденілової та рибонуклеїнових кислот та інші.

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)

Енергія, що виділяється під час розпаду макроергічних сполук і за рахунок якої може бути виконана та чи інша робота, використовується не тільки для хімічного синтезу. Вона може служити в організмі для теплоутворення, світіння, накопичення електрики, виконання механічної роботи і т. п. При цьому хімічна енергія перетворюється на теплову, променисту, електричну, механічну та ін. Принципово важливо те, що перетворення хімічної енергії в інші її види в організмі за обов'язкової участі сполук із макроергічними зв'язками, зокрема АТФ. У молекулі АТФ відбувається трансформація стабільної енергії макроергічних міжфосфатних хімічних зв'язків рухливу енергію збудження електронів пуринової частини молекули; це і є, мабуть, перший етап перетворення енергії в організмі. Саме тому АТФ посідає центральне місце у енергетичному обміні живої матерії.

Як видно із рис. 1, АТФ грає видатну роль як із запасанні, і при витраті енергії, тобто. є ключовою речовиною у енергетичному обміні організму. Відомо багато реакцій, за допомогою яких АТФ виникає з інших макроергічних сполук, і навпаки, є багато процесів, що призводять до синтезу макроергічних сполук за участю АТФ. Такі, наприклад, макроергічні сполуки, як креатинфосфат, фосфоенолпіровіноградна кислота та 1,3-дифосфогліцеринова кислота, при взаємодії з АДФ утворюють АТФ з виділенням креатину, піровиноградної кислоти та 3-фосфогліцеринової кислоти. Ці та подібні до них сполуки прийнято позначати як АТФ-генеруючі речовини. Перераховані реакції оборотні, і за певних умов рівновага може бути зміщена у бік розпаду АТФ.

Мал. 1. Перетворення енергії у живій клітині

Обмін енергії в процесі життєдіяльності не вичерпується перетворенням хімічної енергії на інші види її і навпаки (рис. 1); він має ширший характер. Так, у паличках та колбочках сітківки ока світлова енергія перетворюється на електричну; у специфічних структурах внутрішнього вуха звукова та гідродинамічна енергія перетворюється на електричну тощо.

Трансформація одного виду енергії в інший здійснюється в організмах у морфологічно різноманітних елементах – хлоропластах, м'язах, рецепторних апаратах тканин та органів, сітківці ока, люмінесцентних органах тощо. Однак усім цим різноманітним елементам властиві деякі загальні риси будови. Вони відрізняються наявністю двошарових мембран з високим вмістом ліпопротеїнів у них та присутністю структурного білка, що зв'язує в упорядковані утворення досить уніфіковані елементарні частинки. Останні включають у свій склад молекули певної будови, які, власне, здійснюють процес трансформації енергії. При цьому енергія одного виду поглинається молекулою-перетворювачем і перетворюється на енергію іншого виду. Найпростішим прикладом механізму внутрішньомолекулярного перетворення енергії молекулою-перетворювачем є перехід стаціонарної енергії хімічних зв'язків трифосфатного угруповання молекули АТФ в рухливу енергію збудження електронів її пуринової частини. Більш складним прикладом є конформаційні зміни білкових молекул у процесі перетворення одного виду енергії на інший (наприклад, м'язове скорочення).

Обмін речовин і енергії представляє єдиний, нерозривний процес, де видозміна речовини завжди супроводжується виділенням або поглинанням вільної енергії і де енергія, що виділилася або поглинулася в тій чи іншій кількості забезпечує розпад або синтез хімічних зв'язків, тобто. по суті, видозміна самих речовин.

Мал. 6. Структурна формула молекули аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ)

АТФ є макроергічною сполукою , воно містить два зв'язки багаті на енергію ( макроергічні зв'язки) : між другим та третім залишками фосфорної кислоти. Макроергічні зв'язки –ковалентні зв'язки у хімічних сполуках клітини, що гідролізуються з виділенням значної кількості енергії – 30 кДж/моль та більше. При гідролізі кожного з макроергічних зв'язків у молекулі АТФ виділяється близько 32 кДж/моль. Гідроліз АТФ здійснюють спеціальні ферменти, які називають АТФ-азами:

АТФ ® АДФ + Н3РО4; АДФ ® АМФ + Н3РО4

У клітці існують інші макроергічні з'єднання. Більшість з них, як і АТФ, містять високоенергетичний фосфатний зв'язок. До цієї групи сполук належать і інші нуклеозидтрифосфати, ацилфосфати, фосфоенолпіруват, креатинфосфат та інші молекули. Крім того, в живих організмах присутні молекули з високоенергетичним тіоефірним зв'язком, ацилтіоефіри (рис. 7).

Однак найбільшу роль в енергетичних клітинних процесах грає все ж таки молекула АТФ. Ця молекула має низку властивостей, що дозволяє їй займати настільки значне місце у клітинному метаболізмі. По-перше, молекула АТФ термодинамічно нестабільна, про що свідчить зміна вільної енергії гідролізу АТФ DG0 = -31,8 кДж/моль. По-друге, молекула АТФ є хімічно високостабільною. Швидкість неферментативного гідролізу АТФ у нормальних умовах дуже мала, що дозволяє ефективно зберігати енергію, перешкоджаючи її марному розсіюванню в тепло. По-третє, молекула АТФ має малими розмірами, що дозволяє їй надходити до різних внутрішньоклітинних ділянок шляхом дифузії. І, нарешті, енергія гідролізу АТФ має проміжне значення, порівняно з іншими фосфорильованими клітинними молекулами, що дозволяє АТФ переносити енергію від високоенергетичних сполук до низькоенергетичних.

Мал. 7. Типи сполук, для яких характерна висока енергія гідролізу

Мембранне фосфорилювання– синтез молекули АТФ з використанням енергії трансмембранного градієнта іонів водню, що відбувається на мембрані мітохондрій. Мембранне фосфорилювання відбувається на мембрані мітохондрій, в якій локалізовано певний ланцюг молекул-переносників водню та електронів. Атоми водню і електрони відщеплюються від органічних молекул, що окислюються, і за допомогою спеціальних переносників потрапляють в електронтранспортний ланцюг (дихальний ланцюг), локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій. Цей ланцюг є комплексом мембранних білків, розташованих строго певним чином. Ці білки є ферментами, що каталізують окисно-відновні реакції. Переходячи від одного білка-переносника дихального ланцюга до іншого, електрон спускається на дедалі нижчий енергетичний рівень. Перенесення електронів по електронтранспортному ланцюгу пов'язане з виділенням протонів із клітини у зовнішнє середовище. В результаті зовнішня частина клітинної мембрани набуває позитивного заряду, а внутрішня - негативний, виникає поділ зарядів. Крім того, на мембрані утворюється градієнт іонів водню. Таким чином, енергія, що вивільняється при переносі електронів, спочатку запасається у формі електрохімічного трансмембранного градієнта іонів водню ( D mН+) . Тобто відбувається перетворення хімічної та електромагнітної енергії на електрохімічну, яка може бути надалі використана клітиною для синтезу АТФ. Реакція синтезу АТФ з допомогою DmН + і називається мембранним фосфорилюванням; мембрани, на яких вона здійснюється енергоперетворювальними або сполучними . Перетворення енергії, що звільняється при електронному транспорті, на енергію фосфатного зв'язку АТФ пояснює хемоосмотична теорія енергетичного сполучення (Рис. 8), розроблена англійським біохіміком П. Мітчеллом. Сполучну мембрану можна уподібнити греблі, яка стримує тиск води, так само як і мембрана стримує градієнт іонів водню. Якщо греблю відкрити, то енергія води може бути використана для роботи або перетворена в іншу форму енергії, наприклад електричну, як це і відбувається в гідроелектростанціях. Аналогічно в клітині є механізм, що дозволяє перетворити енергію трансмембранного градієнта іонів водню на енергію хімічного зв'язку АТФ. Розрядка трансмембранного градієнта іонів водню відбувається за участю локалізованого в тій самій мембрані протонного АТФ-синтазного комплексу . Енергія протона, що надходить через цей ферментативний комплекс у клітину із зовнішнього середовища, використовується для синтезу молекули АТФ з АДФ та залишку фосфорної кислоти. Процес, що відбувається, може бути виражений рівнянням:

АДФ + Фн + nН + нар à АТФ + Н2О + nН + внутр.

АТФ-синтазний ферментативний комплекс служить механізмом, що забезпечує взаємоперетворення двох форм клітинної енергії: DmН + « АТФ.

Мал. 8. Схема роботи електронтранспортного ланцюга та АТФ-синтазного комплексу АН 2 та У– донор та акцептор електронів, відповідно; 1 , 2 , 3 - Компоненти електронтранспортного ланцюга

Стартовим переносником дихального ланцюга мітохондрій є НАД(Ф)Н-дегідрогеназа, що має флавінову природу. Цей фермент акцептує протони та електрони від первинної дегідрогенази, ферменту, що забирає атоми водню безпосередньо з субстрату. З НАД(Ф)Н-дегідрогенази електрони передаються на переносник хінонової природи, убіхінон (кофермент Q), а далі на цитохроми (рис. 9). У мітохондріях є 5 різних цитохромів (b, c, c1, a, a3). Цитохроми є гемопротеїни, їх небілкова частина є гемом і містить катіон металу. Цитохроми забарвлені у червоно-коричневий колір. Цитохроми класів b і c містять катіон заліза, а цитохроми класу a – катіон міді.

Мал. 9. Дихальний електронтранспортний ланцюг мітохондрій

Кінцевий цитохром (a+a3) переносить електрони кисень, тобто. є цитохромоксидазою. На кисень переноситься 4 електрони і утворюється вода. При синтезі молекули АТФ через АТФ-синтазний комплекс проходить принаймні два протони. Кількість синтезованих молекул АТФ залежить від кількості ділянок ланцюга, у яких протони виділяються у довкілля. У мітохондрії є 3 ділянки окисного ланцюга, де протони виводяться назовні і генерується Dmн+: на початку ланцюга на НАД(Ф)Н-дегідогеназі, на убіхіноні та на цитохромоксидазі (рис. 9). У мітохондріях при окисленні однієї молекули НАД(Ф)Н ланцюгом переноситься два електрони, а у довкілля виводиться 6Н+ і, відповідно, синтезується три молекули АТФ.

Джерелом енергії для організму людини є процеси окислення хімічних органічних сполук до менш енергетично цінних кінцевих продуктів. За допомогою ферментних систем відбувається вилучення енергії із зовнішніх субстратів (поживних речовин) у реакціях їх ступінчастого окислення, що призводить до вивільнення енергії невеликими порціями. Зовнішні джерела енергії мають бути трансформовані в клітині на певну форму, зручну для забезпечення внутрішньоклітинних енергетичних потреб. Такою формою переважно є молекула аденозинтрифосфат (АТФ) , Що представляє мононуклеотид АТФ є макроергічною сполукою, вона містить два зв'язки багаті на енергію (макроергічні зв'язки): між другим і третім залишками фосфорної кислоти. Макроергічні зв'язки – ковалентні зв'язки у хімічних сполуках клітини, що гідролізуються з виділенням значної кількості енергії – 30 кДж/моль та більше. При гідролізі кожного з макроергічних зв'язків у молекулі АТФ виділяється близько 32 кДж/моль. Гідроліз АТФ здійснюють спеціальні ферменти, звані АТФ-азами: У клітині існують інші макроергічні сполуки. Більшість з них, як і АТФ, містять високоенергетичний фосфатний зв'язок. До цієї групи сполук належать і інші нуклеозидтрифосфати, ацилфосфати, фосфоенолпіруват, креатинфосфат та інші молекули. Крім того, в живих організмах присутні молекули з високоенергетичним тіоефірним зв'язком, ацилтіоефіри. Однак найбільшу роль в енергетичних клітинних процесах грає все ж таки молекула АТФ. Ця молекула має низку властивостей, що дозволяє їй займати настільки значне місце у клітинному метаболізмі. По-перше, молекула АТФ термодинамічно нестабільна, про що свідчить зміна вільної енергії гідролізу АТФ DG0 = -31,8 кДж/моль. По-друге, молекула АТФ є хімічно високостабільною. Швидкість неферментативного гідролізу АТФ у нормальних умовах дуже мала, що дозволяє ефективно зберігати енергію, перешкоджаючи її марному розсіюванню в тепло. По-третє, молекула АТФ має малими розмірами, що дозволяє їй надходити до різних внутрішньоклітинних ділянок шляхом дифузії. І, нарешті, енергія гідролізу АТФ має проміжне значення, порівняно з іншими фосфорильованими клітинними молекулами, що дозволяє АТФ переносити енергію від високоенергетичних сполук до низькоенергетичних.

Існують два механізми синтезу АТФ у клітині: субстратне фосфорилювання та мембранне фосфорилювання. Субстратне фосфорилювання- Ферментативний перенесення фосфатної групи на молекули АДФ з утворенням АТФ, що відбувається в цитоплазмі. При субстратному фосфорилюванні внаслідок певних окислювально-відновних реакцій утворюються багаті на енергію нестабільні молекули, фосфатна група яких за допомогою відповідних ферментів переноситься на АДФ з утворенням АТФ. Реакції субстратного фосфорилювання протікають у цитоплазмі та каталізуються розчинними ферментами. Мембранне фосфорилювання– синтез молекули АТФ з використанням енергії трансмембранного градієнта іонів водню, що відбувається на мембрані мітохондрій. Мембранне фосфорилювання відбувається на мембрані мітохондрій, в якій локалізовано певний ланцюг молекул-переносників водню та електронів. Атоми водню і електрони відщеплюються від органічних молекул, що окислюються, і за допомогою спеціальних переносників потрапляють в електронтранспортний ланцюг (дихальний ланцюг), локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій. Цей ланцюг є комплексом мембранних білків, розташованих строго певним чином. Ці білки є ферментами, що каталізують окисно-відновні реакції. Переходячи від одного білка-переносника дихального ланцюга до іншого, електрон спускається на дедалі нижчий енергетичний рівень. Перенесення електронів по електронтранспортному ланцюгу пов'язане з виділенням протонів із клітини у зовнішнє середовище. В результаті зовнішня частина клітинної мембрани набуває позитивного заряду, а внутрішня - негативний, виникає поділ зарядів. Крім того, на мембрані утворюється градієнт іонів водню. Таким чином, енергія, що вивільняється при переносі електронів, спочатку запасається у формі електрохімічного трансмембранного градієнта іонів водню (DmН+) . Тобто відбувається перетворення хімічної та електромагнітної енергії на електрохімічну, яка може бути надалі використана клітиною для синтезу АТФ. Реакція синтезу АТФ з допомогою DmН + і називається мембранним фосфорилюванням; мембрани, на яких вона здійснюється енергоперетворювальними або сполучними . Перетворення енергії, що звільняється при електронному транспорті, на енергію фосфатного зв'язку АТФ пояснює хемоосмотична теорія енергетичного сполучення (Рис. 8), розроблена англійським біохіміком П. Мітчеллом. Сполучну мембрану можна уподібнити греблі, яка стримує тиск води, так само як і мембрана стримує градієнт іонів водню. Якщо греблю відкрити, то енергія води може бути використана для роботи або перетворена в іншу форму енергії, наприклад електричну, як це і відбувається в гідроелектростанціях. Аналогічно в клітині є механізм, що дозволяє перетворити енергію трансмембранного градієнта іонів водню на енергію хімічного зв'язку АТФ. Розрядка трансмембранного градієнта іонів водню відбувається за участю локалізованого в тій самій мембрані протонного АТФ-синтазного комплексу . Енергія протона, що надходить через цей ферментативний комплекс у клітину із зовнішнього середовища, використовується для синтезу молекули АТФ з АДФ та залишку фосфорної кислоти. Процес, що відбувається, може бути виражений рівнянням:

АДФ + Фн + nН + нар à АТФ + Н2О + nН + внутр.

Макроергічні сполуки - органічні сполуки, при гідролізі яких звільняється значна кількість енергії, використовуваної реалізації різних функцій організму.

Провідне становище серед макроергічних сполук займають аденозинтрифосфорна та аденозиндифосфорна, що відіграють основну роль в енергетичному обміні організму. До макроергічних сполук належать також креатинфосфат, аргінінфосфат, 1,3-дифосфогліцеринова кислота, ацетилфосфат, фосфоенолпіровіноградна кислота.

Відкриті макроергічні сполуки, до складу яких замість аденіну входять гуанін, урацил, цитозин: .

Макроергічні сполуки беруть участь у реакціях трансфосфорилювання, при біосинтезі білка, нуклеїнових кислот та фосфатидів. макроергічний енергетичний глюкоза

Від макроергічних сполук слід відрізняти фосфорильні, ацильні та інші сполуки, що не мають макроергічних зв'язків і тому не здатні утворювати АТФ у реакціях перенесення фосфорильних та ацильних груп: нуклеозидмонофосфорні кислоти, нуклеїнові кислоти, фосфоцукри, фосфоліпіди.

Однак окислення деяких цих сполук може вести до утворення макроергічних сполук.

АТФ – аденозинтрифосфорна кислота.

АТФ грає видатну роль енергетиці клітини. Системі АТФ належить центральне місце у процесах перенесення хімічної енергії. АТФ утворюється в реакціях субстратного фосфорилювання та мембранзалежного фосфорилювання.

При субстратному фосфорилуванні джерелом освіти АТФ є реакції двох типів:

I. Субстрат~Ф + АДФ оборотно перетворюється на субстрат + АТФ,

де символ "~", введений американським біохіміком Ф. Ліпманом (F. Lipmann), служить для позначення макроергічного зв'язку;

ІІ. Субстрат ~ Х + АДФ + Фн оборотно переходить у субстрат + X + АТФ,

У реакціях першого типу здійснюється перенесення високоенергетичної фосфатної групи від молекули-донора на АДФ, що каталізується відповідними кіназами. Реакціями такого типу є реакції субстратного фосфорилювання на шляху анаеробного перетворення цукрів.

АТФ утворюється також за рахунок енергії дельта мю Н+ у процесі мембранзалежного фосфорилювання.

Молекула АТФ містить два макроергічні фосфатні зв'язки, при гідролізі яких вивільняється значна кількість вільної енергії:

АТФ + Н2О перетворюється на АДФ + Фн; дельта G"0 = -31,8 кДж/моль;

АДФ + Н2О перетворюється на АМФ + Фн; дельта G"0 = -31,8 кДж/моль,

де Фн – неорганічний фосфат.

Відщеплення останньої фосфатної групи від молекули АМФ призводить до значно меншого вивільнення вільної енергії:

АМФ + Н2О перетворюється на аденозин + Фн; дельта G"0 = -14,3 кДж/моль.

Молекула АТФ має певні властивості, які й призвели до того, що в процесі еволюції їй була відведена така важлива роль в енергетичному метаболізмі клітин. Термодинамічно молекула АТФ нестабільна, що випливає із великої негативної величини дельта G її гідролізу. У той самий час швидкість неферментативного гідролізу АТФ за нормальних умов дуже мала, тобто. хімічно молекула АТФ є високостабільною. Остання властивість забезпечує ефективне збереження енергії в молекулі АТФ, оскільки хімічна стабільність молекули перешкоджає тому, щоб енергія, що запасена в ній, марно розсіювалася у вигляді тепла. Малі розміри молекули АТФ дозволяють їй легко дифундувати різні ділянки клітини, де необхідний підведення енергії ззовні до виконання хімічної, осмотичної, механічної роботи.

І нарешті, ще одна властивість молекули АТФ, що забезпечила їй центральне місце в енергетичному метаболізмі клітини. Зміна вільної енергії за гідролізу АТФ становить -31,8 кДж/моль. Якщо порівняти цю величину з аналогічними величинами для інших фосфорильованих сполук, ми отримаємо певну шкалу. На одному з її полюсів будуть розташовані фосфорильовані сполуки, гідроліз яких призводить до вивільнення значної кількості вільної енергії (високі негативні значення дельта G. Це так звані високоенергетичні сполуки). ("низькоенергетичні" сполуки).

Якщо часто АТФ називають "енергетичною валютою" клітини, то, продовжуючи цю аналогію, можна сказати, що "валютна одиниця" обрана клітиною у процесі еволюції дуже раціонально. Порція вільної енергії в макроергічному фосфатному зв'язку АТФ - це якраз та енергетична порція, використання якої в біохімічних реакціях робить клітину високоефективним енергетичним механізмом.

Аденозинмонофосфорна кислота (АМФ) входить до складу всіх РНК; при приєднанні ще двох молекул фосфорної кислоти (Н3РО4) вона перетворюється на АТФ і стає джерелом енергії, яка запасається у двох останніх залишках фосфатів.

Як у будь-який нуклеотид, до АТФ входить залишок азотистої основи (аденін), пентоза (рибоза) та залишки фосфорної кислоти (у АТФ їх три). Зі складу АТФ під дією ферменту АТФ-ази відщеплюються залишки фосфорної кислоти. При відщепленні однієї молекули фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорная кислота), і якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, АТФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакції відщеплення кожної молекули фосфорної кислоти супроводжуються визволенням 419 кДж/моль.

Для того, щоб підкреслити високу енергетичну "вартість" фосфорно-кисневого зв'язку в АТФ, її прийнято позначати знаком і називати макроергічним зв'язком. У АТФ є два макроергічні зв'язки.

Значення АТФ у житті клітини велике, вона відіграє центральну роль клітинних перетвореннях енергії. У реакціях за участю АТФ вона зазвичай втрачає одну молекулу фосфорної кислоти і переходить в АДФ. А далі АДФ може приєднати залишок фосфорної кислоти з поглинанням 419 кДж/моль, відновивши запас енергії.

Основний синтез АТФ відбувається у мітохондріях.

Роль АТФ у клітинній енергетиці можна визначити так:

1. хімічна енергія, що звільняється у процесі катаболізму, запасається шляхом фосфорилювання AДФ з утворенням АТФ;
2. енергія АТФ потім використовується після розщеплення макроергічних зв'язків АТФ у ході ендергонічних реакцій синтезу та інших процесів, що потребують витрат енергії, наприклад активного транспорту.
3. АТФ часто сприймається як енергетична валюта. Важливо розуміти, що АТФ - це вид енергії, а форма запасання енергії, одержувана при деградації складних молекул.

Питання 2. Загальні аспекти біоенергетики: закони термодинаміки, екзергонічні та ендергонічні реакції. Принцип енергетичного сполучення реакцій

Перший початок термодинаміки є законом збереження енергії для систем, у яких важливе значення мають теплові процеси (поглинання чи виділення тепла). Згідно з першим початком термодинаміки, термодинамічна система (напр., пар у тепловій машині) може виконувати роботу тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії. Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який робив би роботу, не черпаючи енергію з деякого джерела.

Перший початок термодинаміки вводить уявлення про внутрішню енергію системи як функції стану. При повідомленні системі деякої кількості теплоти Q відбувається зміна внутрішньої енергії системи DU та система здійснює роботу А:

Перше початок термодинаміки стверджує, кожен стан системи характеризується певним значенням внутрішньої енергії U, незалежно від цього, яким шляхом приведена система у цей стан. На відміну від значень U значення A і Q залежать від процесу, що спричинив зміну стану системи.

Якщо початковий і кінцевий стани нескінченно близькі, перший початок термодинаміки записується у вигляді:

Це означає, що нескінченно мала зміна внутрішньої енергії dU є повним диференціалом функції стану, тобто. інтеграл

тоді як нескінченно малі кількості теплоти і роботи є диференціальними величинами, тобто. інтеграли від цих нескінченно малих величин залежить від обраного шляху переходу між станами а і b.

Перший початок термодинаміки дозволяє розрахувати максимальну роботу, що отримується при ізотермічному розширенні ідеального газу, ізотермічному випаровуванні рідини при постійному тиску.

Якщо система обмінюється з середовищем як енергією, а й речовиною, зміна внутрішньої енергії системи під час переходу з початкового стану в кінцеве включає крім роботи і теплоти Q ще й т. зв. енергію маси Z. Нескінченно мала кількість енергії маси в процесі визначається хімічним потенціалом кожного з компонентів системи:

де dNk - нескінченно мала зміна числа молей кожного компонента внаслідок обміну із середовищем.

У випадку процесу, при якому система в кожний момент часу перебуває в рівновазі з навколишнім середовищем, перший початок термодинаміки у загальному вигляді має математичний вираз:

де p і k рівні відповідним значенням для довкілля (індекс е при Xi зазвичай опускають).

Другий початок термодинаміки встановлює існування ентропії як функції стану макроскопічної системи. Стверджує, що всі процеси, що протікають з кінцевою швидкістю, в принципі незворотні, і дає термодинамічні критерії для визначення спрямованості процесів.

Існує кілька різних формулювань другого початку термодинаміки та способів його обґрунтування, проте всі вони взаємопов'язані та зрештою еквівалентні.

Згідно з найбільш загальним формулюванням другого початку термодинаміки, нескінченно мала кількість тепла, передана системі в оборотному процесі, віднесена до абсолютної температури Т, є повним диференціалом функції стану, званого ентропією.

Для оборотних процесів dS; для незворотних< dS.

Для будь-яких процесів (оборотних та незворотних) другий початок термодинаміки може бути узагальнено записом dS.

В ізольованих (замкнутих) системах та dS0, тобто. можливі лише процеси, що супроводжуються збільшенням ентропії.

У стані рівноваги ентропія ізольованої системи сягає максимуму і ніякі макроскопічні процеси у такій системі неможливі.

Поєднання другого початку термодинаміки у формі TdS з першим початком dU --, де-досконала системою робота, приводить у загальному випадку незворотних процесів до нерівності: dU. Ця нерівність дозволяє встановлювати напрямок перебігу мимовільних (незворотних) процесів у закритих системах та критерії рівноваги при постійних значеннях будь-якої з параметрів стану: Т, р; Т, V; S, р; S, V.

Так, у системах, що знаходяться при постійних Т і р, процеси мимовільно йдуть у напрямку втрат енергії Гіббса G = U + pV-- TS, а в стані рівноваги енергія Гіббса досягає мінімуму. Це відноситься, зокрема, до хімічних реакцій, розчинення, змін агрегатного стану та ін перетворенням речовин.

Третій початок термодинаміки (теорема Нернста) - фізичний принцип, що визначає поведінку ентропії за абсолютного нуля температури.

Третій початок термодинаміки може бути сформульовано так - збільшення ентропії при абсолютному нулі температури прагне до кінцевої межі, яка не залежить від того, в якому рівноважному стані знаходиться система.

де x - будь-який термодинамічний параметр.

Третій початок термодинаміки відноситься лише до рівноважних станів.

Оскільки на основі другого початку термодинаміки ентропію можна визначити тільки з точністю до довільної адитивної постійної (тобто визначається не сама ентропія, а тільки її зміна):

третій початок термодинаміки може бути використаний для точного визначення ентропії. При цьому ентропію рівноважної системи за абсолютного нуля температури вважають рівною нулю.

Третій початок термодинаміки дозволяє знаходити абсолютне значення ентропії, що не можна зробити на основі першого та другого початків термодинаміки. Відповідно до третього початку термодинаміки, при Т>0 значення ДS>0.

З третього початку термодинаміки випливає, що абсолютного нуля температури не можна досягти в якомусь кінцевому процесі, пов'язаному зі зміною ентропії, до нього можна лише наближатися, тому третій початок термодинаміки іноді формулюють як принцип недосяжності абсолютного нуля температури.

З третього початку термодинаміки випливає ряд термодинамічних наслідків: при T > 0 повинні прагнути до нуля теплоємності при постійному тиску і постійному обсязі, коефіцієнти теплового розширення та деякі аналогічні величини. Справедливість третього початку термодинаміки один час піддавалася сумніву, але пізніше було з'ясовано, що всі протиріччя, що здаються (ненульове значення ентропії у ряду речовин при Т = 0) пов'язані з метастабільними станами речовини, які не можна вважати термодинамічно рівноважними.

Третій початок термодинаміки часто порушується у модельних системах. Так, при ентропії класичного ідеального газу прагне мінус нескінченності. Це говорить про те, що за низьких температур ідеальний газ повинен поводитися не за рівнянням Менделєєва-Клапейрона.

Таким чином, третій початок термодинаміки вказує на недостатність класичної механіки та статистики та є макроскопічним проявом квантових властивостей реальних систем.

Нульовий початок термодинаміки (загальний початок термодинаміки) - фізичний принцип, який стверджує, що незалежно від початкового стану системи в кінці кінців у ній за фіксованих зовнішніх умов встановиться термодинамічна рівновага, а також що всі частини системи при досягненні термодинамічної рівноваги матимуть однакову температуру.

Ендергонічні та екзергонічні реакції

Напрямок хімічної реакції визначається значенням ДG. Якщо ця величина негативна, реакція протікає мимовільно і супроводжується зменшенням вільної енергії. Такі реакції називають екзергонічними.

Якщо при цьому абсолютне значення ДG велике, то реакція йде практично до кінця, і її можна розглядати як необоротну.

Якщо ДG позитивно, то реакція протікатиме тільки при надходженні вільної енергії ззовні; такі реакції називають ендергонічними.

Якщо абсолютне значення ДG велике, то система стійка, і реакція у разі практично здійснюється. При ДG, що дорівнює нулю, система знаходиться в рівновазі.

Поєднання екзергонічних та ендергонічних процесів в організмі.

У біологічних системах термодинамічно невигідні (ендергонічні) реакції можуть протікати лише рахунок енергії экзергонических реакцій.

Такі реакції називають енергетично сполученими. Багато з цих реакцій відбуваються за участю аденозинтрифосфату (АТФ), що грає роль фактора, що сполучає.

Розглянемо докладніше енергетику сполучених реакцій з прикладу фосфорилування глюкози.

Реакція фосфорилювання глюкози вільним фосфатом з утворенням глюкозо-6-фосфату є ендергонічною:

(1) Глюкоза + Н3РО4 > Глюкозо-6-фосфат + Н2О (ДG = +13,8 кДж/моль)

Для протікання такої реакції у бік утворення глюкозо-6-фосфату необхідне її поєднання з іншою реакцією, величина вільної енергії якої більша, ніж потрібно для фосфорилювання глюкози.

(2) АТФ > АДФ + Н3РО4 (ДG = -30,5 кДж/моль)

При поєднанні процесів (1) і (2) реакції, що каталізується гексокіназою, фосфорилювання глюкози легко протікає у фізіологічних умовах; рівновага реакції сильно зсунута вправо, і вона практично необоротна:

(3) Глюкоза + АТФ > Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ДG = -16,7 кДж/моль)

Мал. 2.1

Як міра потенціалу перенесення фосфатних груп у високоенергетичних сполук довільно обрано зміну вільної енергії гідролізу ДGo" . Це, однак, не означає, що АТФ в енергетично сполучених реакціях буде дійсно гідролізуватися. Гідроліз АТФ без сполучення з ендергонічним процесом призводить лише до виділення тепла.

Поєднання двох реакцій можливе за наявності загального проміжного продукту.

Питання 3. Гормональне регулювання рівня глюкози у крові. Гіпер-і гіпоглікемічні гормони. Поясніть механізм гіперглікемічної дії адреналіну

Регуляція рівня глюкози у крові

Підтримання оптимальної концентрації глюкози в крові - результат дії багатьох факторів, поєднання злагодженої роботи багатьох систем організму. Однак головна роль у підтримці динамічної рівноваги між процесами утворення та утилізації глюкози належить гормональному регулюванню.

У середньому рівень глюкози в крові здорової людини коливається від 2,7 до 8,3 ммоль/л, проте відразу після їди концентрація різко зростає на короткий час.

Дві групи гормонів протилежно впливають на концентрацію глюкози у крові:

1. Єдиний гіпоглікемічний гормон – інсулін;
2. Гіперглікемічні гормони (такі як глюкагон, гормон росту та адреналін), які підвищують вміст глюкози в крові.

Коли рівень глюкози опускається нижче за нормальне фізіологічне значення, вивільнення інсуліну з B-клітин сповільнюється (але в нормі ніколи не зупиняється). Якщо ж рівень глюкози падає до небезпечного рівня, вивільняються так звані гіперглікемічні гормони (найбільш відомий - глюкагон клітин панкреатичних острівців), які викликають вивільнення глюкози з клітинних запасів у кров. Адреналін та інші гормони стресу сильно пригнічують виділення інсуліну у кров.

Точність та ефективність роботи цього складного механізму є неодмінною умовою нормальної роботи всього організму, здоров'я. Тривалий підвищений вміст глюкози в крові (гіперглікемія) є головним симптомом і шкідливим фактором цукрового діабету. Гіпоглікемія - зниження вмісту глюкози в крові - часто має ще більш серйозні наслідки. Так, екстремальне падіння рівня глюкози може загрожувати розвитком гіпоглікемічної коми і смертю.

Гіперглікемія

Гіперглікемія – збільшення рівня цукру в крові.

У стані гіперглікемії збільшується надходження глюкози як до печінки, так і в периферичні тканини. Щойно рівень глюкози зашкалює, підшлункова залоза починає виробляти інсулін.

Гіпоглікемія

Гіпоглікемія - патологічний стан, що характеризується зниженням рівня глюкози периферичної крові нижче за норму (зазвичай, 3,3 ммоль/л). Розвивається внаслідок передозування цукрознижувальних препаратів, надлишкової секреції інсуліну в організмі. Гіпоглікемія може призвести до розвитку гіпоглікемічної коми та призвести до загибелі людини.

Гормони прямої дії.

Основні механізми дії інсуліну:

1. Інсулін підвищує проникність плазматичних мембран для глюкози. Цей ефект інсуліну є головною ланкою метаболізму вуглеводів, що лімітує, в клітинах.
2. Інсулін знімає гальмівну дію глюкокортикостероїдів на гексокіназу.
3. На генетичному рівні інсулін стимулює біосинтез ферментів метаболізму вуглеводів, зокрема ключових ферментів.
4. Інсулін у клітинах жирової тканини інгібує тригліцеридліпазу – ключовий фермент розпаду жирів.

Регуляція секреції інсуліну в кров відбувається за участю нейрорефлекторних механізмів. У стінках кровоносних судин є спеціальні хеморецептори, чутливі до глюкози. Підвищення концентрації глюкози в крові викликає рефлекторну секркцію інсуліну в кров, глюкоза проникає у клітини та її концентрація у крові знижується.

Інші гормони викликають підвищення концентрації глюкози у крові.

Глюкагон

Належить до білково-пептидних гормонів. Має мембранний тип взаємодії з клітиною-мішенню. Ефект надає через аденілатциклазну систему.

1. Викликає підвищення активності глікогенфосфорилази. Внаслідок цього прискорюється розпад глікогену. Так як глюкагон робить ефект тільки в печінці, то можна сказати, що він "жене глюкозу з печінки".
2. Знижує активність глікоген-синтетази, уповільнюючи синтез глікогену.
3. Активує ліпазу у жирових депо.

Глюкокортикостероїди (ГКС)

Належать до стероїдних гормонів, тому мають внутрішньоклітинний тип взаємодії з клітиною-мішенню. Проникаючи в клітину-мішень, вони взаємодіють з клітинним рецептором і мають наступні ефекти:

1. Інгібують гексокіназу – таким чином вони уповільнюють утилізацію глюкози. В результаті концентрація глюкози у крові зростає.
2. Ці гормони забезпечують процес гліконеогенезу субстратами.
3. На генетичному рівні посилюють біосинтез ферментів катаболізму білків.

Гормони непрямої дії.

Соматотропний гормон

1. Посилює виділення глюкагону, тому спостерігається прискорення розпаду глікогену.
2. Викликає активацію ліполізу, тому сприяє утилізації жиру як джерело енергії.

Трийодтиронін (Т3). Тироксин (Т4)

Це гормони – похідні амінокислоти тирозину. Мають внутрішньоклітинний тип взаємодії з клітинами-мішенями. Рецептор Т3/Т4 знаходиться у ядрі клітини. Тому ці гормони посилюють біосинтез білків лише на рівні транскрипції. Серед цих білків – окислювальні ферменти, зокрема різноманітні дегідрогенази. З іншого боку, вони стимулюють синтез АТФаз, тобто. ферментів, що руйнують АТФ. Для процесів біоокислення потрібні субстрати - продукти окиснення вуглеводів та жирів. Тому зі збільшенням продукції цих гормонів спостерігається посилення розпаду вуглеводів і жирів. Гіперфункція щитовидної залози називається Базедова хвороба або тиреотоксикоз. Один із симптомів цього захворювання – зниження маси тіла. Для цього захворювання характерне підвищення температури тіла. У дослідах in vitro спостерігається роз'єднання мітохондріального окиснення та окисного фосфорилювання при високих дозах цих гормонів.

Адреналін секретується мозковим шаром надниркових залоз у відповідь на стресові стимули (страх, сильне хвилювання, кровотеча, киснева недостатність, гіпоглікемія тощо). Стимулюючи фосфорилазу, він викликає глікогеноліз у печінці та м'язах. У м'язах через відсутність глюкозо-6-фосфатази глікогеноліз доходить до стадії лактату, а в той час як у печінці основним продуктом перетворення глікогену є глюкоза, яка надходить у кров, де рівень її підвищується.

Під дією адреналіну збільшується вміст глюкози у крові. В основі цього ефекту лежать такі механізми:

а) активація глікогенолізу у печінці. Вона пов'язана з активацією аденілатциклазної системи гепатоцитів та утворенням, зрештою, активної форми фосфорилази;
в) пригнічення поглинання глюкози інсулінозалежними тканинами з одночасною активацією ліполізу в жировій тканині;
б) активація глікогенолізу у м'язах з подальшою активацією глюконеогенезу у печінці. При цьому молочна кислота, що звільняється з м'язової тканини в кров, йде на утворення глюкози у гепатоцитах;
г) пригнічення секреції інсуліну та стимуляція секреції глюкагону клітинами острівців підшлункової залози.

Питання 4. Перерахуйте 4 основні метаболічні шляхи окислювального розпаду глюкози у клітинах, наведіть схеми цих метаболічних реакцій

Гексозобісфосфатний шлях розпаду вуглеводів

Біологічне значення.

1. Це головний шлях розпаду вуглеводів до кінцевих продуктів. У багатьох клітинах це єдиний шлях. Так розпадається 70-75% глюкози, яка надходить у клітину.
2. Тільки ГБФ-шлях дає клітині енергію у вигляді АТФ. Це основне джерело отримання енергії у клітині.
3. Це найдовший шлях розпаду вуглеводів.

ГБФ-шлях складається із 3 етапів.

1 етап протікає в цитоплазмі, дає 8 молекул АТФ при розпаді 1 молекули глюкози або 9АТФ при розпаді одного глюкозного фрагмента глікогену. Закінчується утворенням 2-х молекул пірувату (ПВК).
2-й та 3-й етапи - (виключно аеробні!) у мітохондріях з обов'язковою участю кисню, дають 30 АТФ у розрахунку на одну молекулу глюкози.
2-й етап ГБФ-шляху називається "окислювальне декарбоксилювання пірувату" і каталізується піруватдегідрогеназним комплексом (дивіться лекції "Біологічне окислення" - подовжений ланцюг мітохондріального окислення). На 2-му етапі від молекули ПВК віднімаються два атоми водню, і піруват перетворюється на Ацетил-кофермент А (АцКоА), одночасно відбувається відщеплення СО2. Два атоми водню йдуть на НАД, а потім ланцюгом мітохондріального окислення передаються на О2 з утворенням Н2О і 3 молекул АТФ. Тому для однієї молекулу вихідної глюкози 2-й етап дає 6 АТФ.

У 3 етап вступає молекула АцетилКоА, який утворюється в результаті 2 етапу. Цей третій етап називається циклом трикарбонових кислот (ЦТК) (дивіться лекції “Мітохондріальне окиснення”). У цьому циклі АцКоА повністю розщеплюється до СО2 та Н2О. При цьому утворюється 12 АТФ у розрахунку на молекулу АцКоА, що вступила до циклу. Якщо розрахувати на 1 молекулу глюкози, то на 3 етапі утворюється 24 АТФ.

1-й етап проходить 10 проміжних стадій. У ході першої частини цього етапу молекула глюкози розщеплюється навпіл до 2 молекул фосфогліцеринового альдегіду (ФГА).

Особливості першої частини 1-го етапу:

Гексокіназа (ГК) працює, щоб послабити міцну молекулу глюкози:

2-я реакція - ізомеризації:

На 3 стадії фруктозо-6-фосфат ще більше послаблюється фосфофруктокіназою (ФФК) і утворюється фруктозо-1,6-бісфосфат:

Фосфофруктокіназа – це ключовий фермент ГБФ-шляху. Він є "пунктом вторинного контролю". Vmax ФФК більший, ніж Vmax ДК. Тому коли глюкози надходить багато, ГК лімітує швидкість всього ГБФ-шляху.

Надлишок АТФ та надлишок цитрату сильно інгібують ФФК. У цих умовах лімітуючим ферментом ГБФ-шляху замість гексокінази стає ФФК. Через пригнічення ФФК накопичуються глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) та фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф). Г-6-Ф інгібує гексокіназу, зменшуючи утилізацію глюкози клітиною та одночасно активує глікогенсинтетазу.

Якщо немає надлишку АТФ та цитрату, а є надлишок АДФ, то АДФ активує ФФК, і тоді швидкість всього ГДФ-шляху лімітується знову гексокіназою.

В результаті фосфофруктокіназної реакції молекула фруктозо-1,6-бісфосфату дестабілізується (послаблюється) настільки, що відразу розпадається на 2 тріози за участю ферменту альдолази (4 реакція):

5-та реакція:

У наступну (шосту) реакцію ГБФ-шляху входить лише ФДА. В результаті зменшується його концентрація та рівновага 5-ї реакції зсувається у бік утворення ФДА. Поступово весь ФДА перетворюється на ФГА, і тому кількість АТФ, синтезоване у наступних реакціях ГБФ-шляху, ми враховуємо у розрахунку 2 молекули ФГА та інших проміжних метаболітів, що з нього утворюються.

У 1-й частині 1-го етапу (від глюкози до ФГА) витрачається 2 молекули АТФ: одна – у гексокіназній реакції, інша – у фосфофруктокіназній (3-та реакція першого етапу ГБФ-шляху). 2-я частина 1-го етапу починається з окислення ФГА до ФГК (фосфогліцеринової кислоти) у 6-й реакції.

Ця реакція каталізується ферментом "гліцеральдегідфосфатдегідрогеназу". Водень, що відщеплюється, передається на НАД з утворенням НАДН2. Енергії, що виділяється при цьому окисненні, вистачає і на те, щоб одночасно забезпечити приєднання фосфату до альдегідної групи. Приєднується фосфат макроергічного зв'язку. В результаті утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота (1,3-бісфосфогліцерат).

7-а реакція: субстратне фосфорилювання.

Фосфат із макроергічним зв'язком передається на АДФ з утворенням АТФ. В результаті 7-ї стадії в молекулі фосфогліцеринової кислоти залишається 1 залишок фосфорної кислоти.

8-а реакція: Фосфат переноситься з 3-го у друге положення та утворюється 2-фосфогліцеринова кислота.

9-а реакція:

Від 2-фосфогліцеринової кислоти віднімається Н2О. Це призводить до перерозподілу молекулярної енергії. В результаті на фосфаті у другому положенні накопичується енергія і зв'язок стає макроергічною. Виходить фосфоенолпіруват (ФЕП).

10-та реакція: Субстратне фосфорилювання. Фосфат переноситься на АДФ із заснуванням АТФ. ФЕП перетворюється на ПВК (пировиноградную кислоту).

На цьому 1-й етап ГДФ-шляху закінчується, ПВК йде в мітохондрію і входить у другий етап ГДФ-шляху.

Підсумки 1-го етапу: 10 реакцій, у тому числі перша, третя і десята реакції незворотні. Спочатку витрачається 2 АТФ на 1 молекулу глюкози. Потім окислюється ФДА. Енергія реалізується в ході 2-х реакцій субстратного фосфорилювання: у кожній з них утворюється по 2 АТФ. Отже, кожну молекулу глюкози (на 2 молекули ФГА) виходить 4 АТФ шляхом субстратного фосфорилирования.

Сумарно всі 10 стадій можна описати наступним рівнянням:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ + 2НАД -----> 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАДН2. НАДН2 за системою мітохондріального окислення (МтО) передає водень на кисень повітря з утворенням Н2О та 3 АТФ, але 1-й етап протікає в цитоплазмі та НАДН2 не може проходити через мембрану мітохондрій. Існують човникові механізми, що забезпечують цей перехід НАДН2 через мітохондріальну мембрану - малат-аспартатний човник та гліцерофосфатний човник (дивіться лекції "Біологічне окиснення").

У розрахунку одну молекулу глюкози утворюється 2НАДН2.

На додаток до 2 АТФ, одержуваним на 1-му етапі шляхом субстратного фосфорилювання, утворюється ще 6 АТФ за участю кисню, разом - 8 молекул АТФ. Стільки АТФ утворюється для кожну розщеплену до ПВК молекулу глюкози під час першого етапу ГБФ-шляху.

Якщо ці 8 АТФ додати до 30 молекул АТФ, які утворюються на 2-му та 3-му етапах, то сумарний енергетичний підсумок всього ГБФ-шляху складе 38 АТФ на кожну молекулу глюкози, розщеплену до СО2 і Н2О. У цих 38 АТФ укладено 65 відсотків енергії, яка виділилася при спалюванні глюкози на повітрі. Це доводить дуже високу ефективність роботи ГБФ-шляху.

З 38 АТФ основна їх частина утворюється на 2-му та 3-му етапах. Кожен із цих етапів абсолютно незворотний і вимагає обов'язкової участі кисню, оскільки окислювальні стадії цих етапів пов'язані з мітохондріальним окисленням (без нього неможливі). Весь ГБФ-шлях від глюкози або глікогену до СО2 і Н2О називають: АЕРОБНЕ РОЗПАД ВУГЛЕВОДІВ.

Ключові ферменти першого етапу ГБФ-шляху: ГЕКСОКІНАЗА та ФОСФОФРУКТОКІНАЗА.

Ще одна ключова ланка знаходиться у ЦТК (3-й етап ГБФ-шляху). Ключова ланка на 3-му етапі необхідна тому, що АцКоА, що вступає в ЦТК, утворюється не тільки з вуглеводів, але і жирів і амінокислот. Отже, ЦТК - це кінцевий котел для спалювання ацетильних залишків, що утворюються з вуглеводів, жирів і білків. ЦТК поєднує всі метаболіти, що утворюються при розпаді вуглеводів, жирів та білків.

Ключові ферменти ЦТК: цитратсинтетаза та ізоцитратдегідрогеназу. Обидва ферменти пригнічуються надлишком АТФ та надлишком НАДН2. Ізоцитратдегідрогеназу активується надлишком АДФ.

АТФ інгібує ці ферменти по-різному: ізоцитратдегідрогеназу інгібується АТФ набагато сильніше, ніж цитратсинтазу. Тому при надлишку АТФ накопичуються проміжні продукти: цитрат та ізоцитрат. У цих умовах цитрат може виходити до цитоплазми за градієнтом концентрацій.

2-й та 3-й етапи ГБФ-шляху протікають у мітохондріях, а 1-й – у цитоплазмі.
1-й етап відокремлений від 2-го та 3-го етапів мітохондріальної мембраною.

Тому перший етап може виконувати свої особливі функції. Ці функції пов'язані з двома особливостями 1-го етапу.

Питання 5. Пентозний цикл окиснення вуглеводів: хімізм окисної фази, сумарна реакція, біологічна роль

Метаболічні шляхи окислення глюкози, головними з яких є:

а) аеробне розщеплення до вуглекислого газу та води;
б) анаеробне окиснення до лактату;
в) пентозний шлях окиснення;
г) окиснення з утворенням глюкуронової кислоти.

Пентозофосфатний цикл починається з окислення глюкозо-6-фосфату та наступного окисного декарбоксилювання продукту (в результаті від гексозофосфату відщеплюється перший атом вуглецю). Це перша, так звана окислювальна стадія пентозофосфатного циклу. Друга стадія включає неокислювальні перетворення пентозофосфатів з утворенням вихідного глюкозо-6-фосфату (рис. 5.1). Реакції пентозофосфатного циклу протікають у цитозолі клітини.

Мал. 5.1

Перша реакція - дегідрування глюкозо-6-фосфату за участю ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази та коферменту НАДФ+. 6-фосфоглюконо-д-лактон, що утворився в ході реакції, - сполука нестабільна і з великою швидкістю гідролізується або спонтанно, або за допомогою ферменту 6-фосфоглюконолактонази з утворенням 6-фос-фоглюконової кислоти (6-фосфоглюконат):

У другій - окисної реакції, що каталізується 6-фосфоглюко-натдегідрогеназ (декарбоксилуючою), 6-фосфоглюконат дегідрується і декарбоксилюється. В результаті утворюється фосфорильована кетопентоз - D-рибулозо-5-фосфат і ще 1 молекула НАДФН:

Під дією відповідної епімерази з рибулозо-5-фосфату може утворитися інша фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Крім того, рибулозо-5-фосфат під впливом особливої ізомерази легко перетворюється на рибозо-5-фосфат. Між цими формами пентозофосфатів встановлюється стан рухомої рівноваги.

За певних умов пентозофосфатний шлях на цьому етапі може бути завершений. Однак за інших умов настає так званий неокислювальний етап (стадія) пентозофосфатного циклу. Реакції цього етапу пов'язані з використанням кисню і протікають в анаеробних умовах. При цьому утворюються речовини, характерні для першої стадії гліколізу (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бісфосфат, фосфотріо-зи), а інші - специфічні для пентозофосфатного шляху (сідогептуло-зо-7-фосфат, пентозо-5- фосфати, еритрозо-4-фосфат).

Завдання 6. Скільки молей АТФ може бути утворено за повного окислення 1 моля оцтової кислоти? При повному окисненні 1 молячи глюкози? Наведіть реакції у вигляді схеми із зазначенням усіх учасників процесу

У процесі аеробного окиснення вуглеводів звільняється 2880 кДж/моль глюкози. Якщо підсумувати загальний вихід АТФ у цьому процесі, він складе 38 моль АТФ (рис. 6.1.). Процес окислення глюкози включає такі етапи:

1) Аеробний гліколіз

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД + > 2СН3 - СО - СООН + 2АТФ + 2НАДН + 2Н2О

2НАДН > 6АТФ
2) Окислювальне декарбоксилювання пірувату
2СН3 - СНТ - СООН + 2koA-SH + 2НАД + > 2СН3 - СО - S - koA + 2НАДН + 2СО2
2НАДН > 6АТФ
3) Цикл Кребса (2 обороти)

СН3-СО-S-koA+2Н2О+3НАД++ФАД+ГДФ+Н3РО4 >

2*3НАДН > 2*9АТФ>18АТФ
2 ФАДН2 > 2*2АТФ > 4АТФ
2ГТФ > 2АТФ

У результаті: 2 +6 +6 +18 +4 +2 = 38АТФ

Оцтова кислота активується під дією ферменту ацетил-КоА-синтетази. Реакція протікає з використанням коферменту А та молекули АТФ:

СН3-COOH + HS~KoA + АТФ > СН3-СО-S-KoA +АДФ +Н2О.

В результаті реакції утворюється 1 моль активованої оцтової кислоти - ацетилкоферменту А СН3-СО-S-KoA, який бере участь у циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса):

СН3-СО-S-КоA+2Н2О+3НАД++ФАД+ГДФ+Н3РО4 > koA-SH+ 2СО2 + 3НАДН + ФАДН2 + ГТФ

3НАДН > 9АТФ

ФАДН2 > 2АТФ

У результаті: 9 +2 +1 = 12АТФ

Отже, при окисленні 1 моль оцтової кислоти виділяється 12 моль АТФ. Враховуючи, що з активації витрачається 1 моль АТФ, отримаємо кінцевий результат 12 - 1 = 11 моль АТФ.

Мал. 6.1 Схема повного окислення глюкози до шести молекул СО2 та енергетична ефективність цього процесу (баланс АТФ); шляхиутворення АТФ: УФ - субстратне фосфорилювання; ЛФ - окисне фосфорилювання.