Понятие анаболизма и катаболизма. Основные этапы. Характеристика метаболических путей превращения основных классов органических веществ

Понятие анаболизма и катаболизма. Основные этапы. Характеристика метаболических путей превращения основных классов органических веществ

Обмен веществ, или метаболизм, − это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности.

Обмен веществ включает три этапа:

1. Поступление веществ в организм;

2. Метаболизм или промежуточный обмен;

3. Выделение конечных продуктов обмена;

Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород), питания и пищеварения. При пищеварении происходит гидролиз полимеров (белков, крахмала и т.д.) до мономеров: аминокислот, глюкозы, глицерина, жирных кислот которые легко всасываются в кровь.

Промежуточный метаболизм (внутриклеточный метаболизм) состоит из двух фаз:

Анаболизма;

Катаболизма;

Катаболизм – совокупность реакций, в которых происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов (метаболитов); при этом высвобождающаяся во время расщепления химическая энергия запасается в доступной для использования клеткой форме.

Анаболизм – это совокупность реакций, в которых из малых молекул-предшественников или мономерных "строительных блоков" синтезируются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и прочие клеточные компоненты; эти реакции требуют затраты энергии для своего осуществления.

Катаболизм и анаболизм связаны между собой большим числом реакций.

Субстраты метаболизма – химические соединения, поступающие с пищей. Среди них – основные пищевые вещества: углеводы, белки, липиды и поступающие в малых количествах (витамины, минеральные соединения).

Основные этапы катаболизма

I этап – Образование мономеров из полимеров. Происходит в ЖКТ и сводится к реакциям гидролиза полимеров до мономеров.

Полимеры -------->Мономеры

Белки ----------->Аминокислоты

Крахмал --------->глюкоза

Жиры ------------>глицерин + жирные кислоты

II этап – Внутриклеточный катаболизм. Происходит в цитоплазме и митохондриях. Образование из мономеров общих низкомолекулярных продуктов превращения (ацетил-КоА, пируват, α-кетоглутарат).

III этап - Цикл Кребса. Происходит вмитохондриях.Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО2 и Н2О. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, 40 – 45% ее запасается ввиде АТФ (окислительное фосфорилирование).

 

Схема реакций катаболизма:

1-3 пищеварение;

4-8 специфические пути катаболизма;

9-10 общие пути катаболизма;

11 – дыхательная цепь переноса электронов;

12 – окислительное фосфорилирование;

 

Основные этапы анаболизма

I этап – Цикл Кребса.

II этап – Образование мономеров.

III этап – Образование полимеров.

Метаболический путь – это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболиты, а последнее соединение метаболического пути – конечный продукт. Метаболизм имеет частные и общие пути.

Частные пути – совокупность превращений, свойственная только определенному соединению (например, углеводам, липидам, аминокислотам). Например, аминокислоты в синтезе мононуклеотидов, гема, сложных липидов. Продукты гидролиза пищевых липидов участвуют в синтезе липопротеинов крови, а продукты гидролиза липопротеинов крови используются для синтеза клеточных липидов.

Общие пути – совокупность превращений, в которые вовлекаются два и более видов соединений (например, углеводы и липиды; или углеводы, липиды и аминокислоты).

Центральные метаболические пути. Пути распада различных веществ часто заканчиваются одним метаболитом, с которого начинается общая цепь реакций дальнейшего распада. Часто одно соединение служит исходным материалом для синтеза различных веществ. При этом образуется перекресток центрального пути с другими путями. В местах перекрестка находятся общие продукты обмена – ключевые метаболиты. Одному центральному пути может сопутствовать множество периферийных, которые могут быть достаточно сложными. Это сравнимо с сетью городских улиц. «Улицы» − это цепи химических реакций, в которых конечные продукты одних реакций являются исходными веществами для других.

КЛЮЧЕВЫЕ МЕТАБОЛИТЫ:

Ø Ацетил-КоА

Ø Глюкозо-6-фосфат

Ø Пируват

Ацетил-КоА – образуется при распаде белков (распад кетогенных аминокислот – фенилаланин, лейцин, тирозин), липидов (окисление жирных кислот) и углеводов (окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты). Затем он используется в цикле Кребса для образования энергии, а также служит исходным субстратом для синтеза жирных кислот, ацетоновых тел, холестерина и т.д.

 

Схема метаболизма ацетил-КоА БЕЛКИ ЛИПИДЫ УГЛЕВОДЫ NН3 ПИРУВАТ Энергия Ацетилхолин Синтез жирных кислот Синтез холестерина Синтез ацетоновых телВитамин D Стероидные гормоны

 

Глюкозо-6-фосфат – это активированная форма глюкозы образуется из гликогена и глюкозы, белков (содержащих гликогенные аминокислоты – аланин, глицин, цистеин), глицерина, имеет энергетическое значение. Глюкозо-6-фосфат, распадаясь в клетках печени под действием глюкозо-6-фосфатазы, поставляет в кровь свободную глюкозу, обеспечивая многие органы и ткани, в том числе и мозг. В ходе его распада образуются 2 молекулы ацетил-КоА, которые окисляются до СО2 и Н2О с выделением АТФ, образует вещества, которые являются исходными для синтеза многих заменимых аминокислот (аланина, серина, цистеина). В процессе дихотомического распада из него образуются 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, являющегося исходным субстратом для синтеза глицерина. Глюкозо-6-фосфат поставляет ацетил-КоА, из которого образуются жирные кислоты, что является основой для образования ТАГ и глицерофосфатидов. При избытке глюкозо-6-фосфата именно таким путем происходит синтез жиров, накопление которых приводит к ожирению. Распад глюкозо-6-фосфата по пентозному пути сопровождается образованием пентоз, − компонентов нуклеиновых кислот. При этом имеет место накопление НАДФН₂, необходимого для многих синтезов (холестерина, нуклеиновых кислот, жирных кислот и т.д.).

 

Схема метаболизма глюкозо-6-фосфата БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ ЛИПИДЫ Аминокислоты Глюкоза Глицерин Глюкоза Заменимые крови аминокислоты     Гликоген Ацетил-КоА Глицерин

 

Пируват - является промежуточным продуктом распада углеводов, жиров и некоторых аминокислот (аланина, цистеина, глицина). Пируват используется в организме для синтеза углеводов (глюкозы), липидов и заменимых аминокислот, имеет значение в процессе образования ацетил-КоА.

Схема метаболизма пировиноградной кислоты ЛИПИДЫ УГЛЕВОДЫ БЕЛКИ Заменимые Глицерин аминокислоты   Глюкоза Ацетоновые тела Лактат, Ацетил-КоА

III

СО₂ Н₂О

 

Цитрантный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) – центральный путь обмена веществ. В цикле Кребса улавливается большая часть свободной энергии, освобождающейся при окислении белков, липидов и углеводов.

Все реакции цитратного цикла локализованы в митохондриях и протекают под влиянием ферментов, локализованных на мембранах. Результатами одного полного цикла являются:

1) полное окисление ацетильного остатка до 2 молекул СО₂;

2) образование 3 молекул восстановленного НАД⁺ и одной молекулы ФАДН₂;

3) образование одной молекулы ГТФ в результате субстратного фосфорилирования.

Основной субстрат цикла Кребса – ацетил-КоА.

 

Реакции цикла Кребса.

1. Синтез лимонной кислоты. Ацетил-КоА – продукт окислительного декарбоксилирования пирувата – конденсируется с щавелевоуксусной кислотой.

СООН СООН СН3-СО-S-КоА +С=Оцитратсинтетаза СН2 + НS-КоА   СН2 НО-С-СООН   СООН СООН   ЩУК (оксалоацетат) Лимонная кислота (цитрат)

Реакция синтеза осуществляется за счет энергии макроэргической связи в ацетил-КоА, реакция необратима.

 

2. Изомеризация в изолимонную кислоту протекает при участии аконитазы в два этапа: дегидратация и гидратация в другой позиции:

СООН СООНСООН СН2СН2СН2 − НОН + НОН НО-С-СООН С-СООН НС-СООН || СН2 СН Н-С-ОН СООН СООНСООН   Цитрат Цис-аконитат Изоцитрат

3. Дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата катализируют два фермента: НАД-дегидрогеназа изоцитрата и декарбоксилаза щавенлевоянтарной кислоты:

СООН СООНСООН СН2 НАД НАД · Н2 СН2 СО2 СН2 НС-СООН НС-СООН СН2 НС-ОН С=О С=О СООН СООНСООН   Изоцитрат Щавелевоянтарная к-та α-кетоглутаровая к-та (оксалосукцинат) (α-кетоглутарат)

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата катализирует ферментный комплекс, сходный с пируватдекарбоксилазным. Реакция протекает при участии ТПФ, НАД, ФАД, ЛК и КоА с образованием сукцинил-КоА:

СООН СООН   СН2СН2 НАД, ФАД, ТПФ, ЛК, КоА СО2 СН2СН2 + НАД · Н2   С=О С=О-S-КоА СООН Сукцинил-КоА α-кетоглутарат

5. Деацилирование сукцинил-КоА катализирует сукцинил-тиокиназа при участии ГДФ и Н₃РО₄. Энергия макроэргической связи сукцинил-КоА затрачивается на образование ГТФ, которая в свою очередь используется на синтез АТФ из АДФ и фосфата:

СООН СООН ГДФ + Н3РО4 ГТФ СН2СН2 + КоА-SН СН2 ГТФ + АДФ → АТФ → Н3РО4 + АДФ СН2   С=О~S-КоА СООН Сукцинил-КоА Янтарная к-та (сукцинат)

6. Дегидрирование сукцината катализирует сукцинатдегидрогеназа с образованием фумаровой кислоты (фумарата):

СООН СООН ФАД ФАД · Н2 СН2 СН || СН2 СН   СООН СООН Сукцинат Фумарат

 

7. Присоединение к фумарату молекулы Н₂О катализирует фумараза, превращая ее в яблочную кислоту (малат):

СООН СООН НОН СН Н-СОН || СН СН2 СООН СООН Фумарат Малат

8. Дегидрирование малата катализирует малатдегидрогеназа, превращая его в оксалоацетат, который в первой реакции цикла, соединяясь с ацетил-КоА, образовал лимонную кислоту:

 

 

СООН СООН НАД НАД · Н2 Н-СОН С=О СН2СН2 СООН СООН Малат Оксалоацетат (ЩУК)

Этой реакцией цикл замыкается и высвободившаяся молекула ЩУК может вводить в цикл очередную молекулу ацетил-КоА.

Цикл ТКК можно рассматривать как амфиболический цикл, играющий важную роль в динамическом равновесии между катаболизмом и анаболизмом. Цикл ТКК играет существенную роль не только как расщепления, но в нем образуются продукты, необходимые для биосинтеза важных для организма человека и животных соединений.

 

Функции цитратного цикла.

v Интегративная. Цикл Кребса является центральным путем обмена веществ, в котором воедино сливаются многие процессы ана- и катаболизма белков, липидов и углеводов.

v Анаболическая. Функция заключается в том, что субстраты цикла Кребса используются в синтезе других веществ. Так, оксалоацетат используется для синтеза аспарагиновой кислоты и глюкозы; α-кетоглутарат – для синтеза глутаминовой кислоты; сукцинил-КоА – для синтеза гема; ацетил-КоА – для синтеза жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов, ацетоновых тел и т.д.

v Катаболическая. В этом цикле происходит распад ацетильного остатка, образующегося при распаде пирувата (а последний в свою очередь образуется при распаде глюкозы или из аланина), жирных кислот, кетогенных аминокислот. В субстраты цикла Кребса – α-кетоглутаровую и щавелевоуксусную кислоты превращаются соответственно глутаминовая и аспарагиновая кислоты и т.д.

v Собственно энергетическая. В цитратном цикле имеется реакция субстратного фосфорилирования (распад макроэргического субстрата сукцинил-КоА), в ходе которой образуется АТФ.

v Водороддонорная. В цитратном цикле в результате окисления НАД⁺-зависимых (изоцитрат, α-кетоглутарат и малат) и ФАД-зависимого (сукцинат) субстратов образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН₂, которые являются основными донорами водорода для дыхательной цепи. Энергия переноса водорода используется для синтеза АТФ. При этом за счет окисления трех молекул НАДН способно синтезироваться 3 АТФ · 3 = 9 АТФ, за счет окисления одной молекулы ФАДН₂ – две молекуды АТФ. Итого водороддонорная функция цикла Кребса обеспечивает 11 молекул АТФ, а с учетом собственно энергетической функции – 11 АТФ + 1 АТФ = 12 АТФ.

v Анаплеротическая. Как указывалось, цикл Кребса начинается с реакции конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом. Следует отметить, что клетка не страдает от недостатка ацетил-КоА, так как он образуется в реакциях распада глюкозы и жирных кислот, и аминокислот; а вот количество оксалоацетата в клетке ограничено. Поэтому важную роль приобретает анаплеротический (наполняющий, обходной) путь регенерации ЩУК из пирувата при участии биотинзависимого фермента – пируваткарбоксилазы:

пируваткарбоксилаза

Пируват + АТФ + СО₂(биотин) + Н₂О ЩУК+АДФ+Ф_Н

Ферменты ЦТК и клинико-диагностическое значение их определения.

Клинико-лабораторное значение. Для двух ферментов цикла Кребса измерение активности нашло применение в диагностике некоторых заболеваний. Это изоцитрат- и малатдегидрогеназы. Повышение их активности в крови свидетельствует о степени повреждения тканей. Малатдегидрогеназа нашла применение как фермент, используемый для определения активности трансаминаз в комбинированном наборе реактивов.

 

Регуляция цикла Кребса.

Скорость реакций цитратного цикла зависит от скорости тканевого дыхания митохондрий, от интенсивности процесса окислительного фосфорилирования. А скорость дыхания и фосфорилирования в свою очередь зависит от того, как быстро расходуется АТФ (или увеличивается концентрация АДФ).

Определяющим фактором регуляции активности цикла Кребса является дыхательный контроль, т.е. отношение АТФ/АДФ: чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивающее выработку АТФ. При увеличении концентрации АДФ увеличивается скорость дыхания, т.е. интенсивнее потребляются субстраты цикла Кребса и скорость протекания реакций этого цикла увеличивается.

Активность цитратного цикла зависит также от соотношения НАД⁺/НАДН, что в свою очередь зависит от скорости потребления АТФ. При недостатке НАД⁺активность дегидрогеназ цикла будет снижаться, поскольку именно окисленная форма кофермента является акцептором водорода субстратов цикла Кребса.

Кроме такой общей регуляции, зависящей от функционирования дыхательной цепи, имеется регуляция на уровне самого цикла. Так, АТФ может ингибировать цитратсинтазу по аллостерическому механизму. Основным регуляторным ферментом является изоцитратдегидрогеназа. Она аллостерически ингибируется АТФ и НАДН, а активируется АДФ. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется избытком оксалоацетата.

 

 

Лекция №3.

1. Тканевое дыхание. Роль окислительно-восстановительных процессов в организме. Окислительное фосфорилирование в организме.

2. Понятие клеточного или тканевого дыхания. Цепь переноса электронов (ЦПЭ).

3. Роль кислорода в метаболизме. Виды макроэргических молекул в организме, структура макроэргических соединений.

4. Хемиосмотическая теория Митчелла.

 

АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, образованный аденозином и тремя остатками фосфорной кислоты. Во всех живых организмах выполняет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии. Под действием специальных ферментов концевые фосфатные группы отщепляются с освобождением энергии, которая идет на синтетические и другие процессы жизнедеятельности. Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, приводит к выделению, от 40 до 60 кДж/моль.

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + энерги.

Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Всё это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения.

Помимо энергетической АТФ выполняет в организме ещё ряд других не менее важных функций:

Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.

Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.

АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.

Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах.

В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ:

АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.

Фосфорилирование АДФ возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование (используя энергию окисляющихся веществ). Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

 

АДФ

Аденозиндифосфат (АДФ) – нуклеотид, образованный аденозоном и двумя остатками фосфорной кислоты. Участвует в энергетическом обмене живых организмов. АДФ получает энергию путем дефосфорилированиефосфоэнолпировиноградной кислоты под действием фермента трансфосфорилазы, которая переносит макроэргическую связь с кислоты на АДФ.

Уридиндифосфорная кислота (УДФ) и ее производные принимают участие во взаимопревращении углеводов.

При биосинтезе гликозидной связи используется уридиндифосфатглюкоза (УДФГ), образующаяся из глюкозы‑1‑фосфата и уридинтрифосфата (УИФ). Если УДФГ передает глюкозу фруктозе, то образуется сахароза, а если цепочке декстрина – полисахарид. Аналогично образуются гликозиды, гликопротеиды и др.

 

СХЕМА ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

 

НАДН + Н⁺

 

Сукцинат

АДФ АТФ

 

 

Цитохром с

АДФ АТФ

 

АДФ АТФ

 

О₂

 

Понятие анаболизма и катаболизма. Основные этапы. Характеристика метаболических путей превращения основных классов органических веществ

Обмен веществ, или метаболизм, − это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности.

Обмен веществ включает три этапа:

1. Поступление веществ в организм;

2. Метаболизм или промежуточный обмен;

3. Выделение конечных продуктов обмена;

Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород), питания и пищеварения. При пищеварении происходит гидролиз полимеров (белков, крахмала и т.д.) до мономеров: аминокислот, глюкозы, глицерина, жирных кислот которые легко всасываются в кровь.

Промежуточный метаболизм (внутриклеточный метаболизм) состоит из двух фаз:

Анаболизма;

Катаболизма;

Катаболизм – совокупность реакций, в которых происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов (метаболитов); при этом высвобождающаяся во время расщепления химическая энергия запасается в доступной для использования клеткой форме.

Анаболизм – это совокупность реакций, в которых из малых молекул-предшественников или мономерных "строительных блоков" синтезируются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и прочие клеточные компоненты; эти реакции требуют затраты энергии для своего осуществления.

Катаболизм и анаболизм связаны между собой большим числом реакций.

Субстраты метаболизма – химические соединения, поступающие с пищей. Среди них – основные пищевые вещества: углеводы, белки, липиды и поступающие в малых количествах (витамины, минеральные соединения).

Основные этапы катаболизма

I этап – Образование мономеров из полимеров. Происходит в ЖКТ и сводится к реакциям гидролиза полимеров до мономеров.

Полимеры -------->Мономеры

Белки ----------->Аминокислоты

Крахмал --------->глюкоза

Жиры ------------>глицерин + жирные кислоты

II этап – Внутриклеточный катаболизм. Происходит в цитоплазме и митохондриях. Образование из мономеров общих низкомолекулярных продуктов превращения (ацетил-КоА, пируват, α-кетоглутарат).

III этап - Цикл Кребса. Происходит вмитохондриях.Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО2 и Н2О. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, 40 – 45% ее запасается ввиде АТФ (окислительное фосфорилирование).

 

Схема реакций катаболизма:

1-3 пищеварение;

4-8 специфические пути катаболизма;

9-10 общие пути катаболизма;

11 – дыхательная цепь переноса электронов;

12 – окислительное фосфорилирование;