Принцип энергетического сопряжения биохимических реакций

Живая клетка для своего существования нуждается в энер­гии. При этом гетеротрофные клетки получают необходимую энергию в основном за счет окисления продуктов питания (разд. 9.3.6), а для прототрофных клеток источником энергии часто является солнечный свет (разд. 9.3.7). Полученная энер­гия переводится теми и другими клетками с довольно хорошим КПД = 40 % в химическую энергию за счет синтеза в них аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ):

Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его взаимодействии с водой, т. е. гидролизе, обра­зуются аденозиндифосфорная (АДФ) и фосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия. Поэтому АТФ называется макроэргическим соединением, а разрывающаяся при его гидролизе связь Р—О—Р - макроэргической. Макроэргической связью называет­ся химическая связь, при разрыве которой в результате реак­ции гидролиза выделяется значительная энергия:

Как известно, разрыв любой связи (в том числе и макроэр­гической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидро­лиза АТФ кроме процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого AG > 0, происходят процессы гидрата­ции, изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате всех этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение. Сле­довательно, макроэргическим является не разрыв связи, а энер­гетический результат ее гидролиза.

Аденозинтрифосфат функционирует в клетках как проме­жуточный продукт, обеспечивающий организм энергией, необ­ходимой для протекания жизненно важных эндэргонических процессов: синтеза метаболитов (химическая работа), сокраще­ния мышц (механическая работа), переноса вещества через мем­браны против градиента концентрации (активный транспорт) и передачи информации (в частности, для передачи нервных им­пульсов).

Для того чтобы в живых системах протекали эндэргониче­ские реакции ( G_p > 0), необходимо, чтобы они были сопряжены с экзэргоническими реакциями ( G_p < 0). Такое сопряжение воз­можно, если обе реакции имеют какое-либо общее промежуточ­ное соединение и на всех стадиях сопряженных реакций суммар­ный процесс характеризуется отрицательным значением измене­ния энергии Гиббса . Например, синтез сахарозы является эндэргонической реакцией и самопроизвольно проис­ходить не может:

Метаболические цепи - процессы последовательных превращений исходного вещества, приводящие к образованию некоторого продукта. Все метаболические пути можно подразделить на анаболические и катаболические. Метаболическая цепь, состоящая из реакций, протекающих внутри одной системы, называется внутренней. Метаболическая цепь, реакции которой протекают в разных системах, называется межсистемной. Одно и то же вещество может участвовать в различных превращениях. В подобных случаях наблюдается пересечение различных метаболических цепей. Следствием такого пересечения является возникновение метаболической сети биологической системы. Понимание функционирования одного звена цепи позволяет проводить корректировку нарушений протекания определенного биохимического процесса в организме.

Метаболическая сеть — это совокупность физических процессов, определяющих физиологические и биохимические свойства клетки. Кметаболических сетей входят химические реакции обмена веществ, метаболические пути, а также регуляторные взаимодействия, которые управляют этими реакциями.

Метаболический цикл - это метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс. Частный путь метаболизма - совокупность превращений одного определенного соединения (углеводы или белки). Общий путь метаболизма - когда вовлекаются два и более видов соединений (углеводы, липиды и частично белки вовлечены в энергетический метаболизм). Об­ратимость отдельных стадий биохимических процессов позволя­ет живому организму легко регулировать синтез тех или иных соединений в зависимости от потребности и тем самым поддер­живать стационарное состояние. Стационарное состояние для живого организма характери­зуется постоянством его термодинамических величин и неиз­менностью во времени скоростей поступления и удаления ве­ществ и энергии. Несмотря на постоянство термодинамических величин, они не имеют равновесных значений в этом состоянии. Биологическое развитие организма возможно только в системе, находящейся в стационарном состоянии, но далёком от равнове­сия. Именно стационарное неравновесное состояние живой ма­терии позволяет ей опти­мизировать свои характе­ристики и эволюциониро­вать во времени. Анаболизм и катаболизм – это основные метаболические процессы. Катаболизм – это ферментативное расщепление сложных органических соединений, осуществляющееся внутри клетки за счет реакций окисления. Катаболизм сопровождается выделением энергии и запасанием ее в макроэргических фосфатных связях АТФ. Примерами катаболизма являются: превращение этанола через стадии ацетальдегида (этаналя, СH₃СHO) и уксусной кислоты (этановой кислоты, CH3COOH) в углекислый газ (СO₂) и воду (H₂O). гликолиз — превращение глюкозы в молочную кислоту либо пировиноградную кислоту и далее в процессе клеточного дыхания — в углекислый газ (СO₂) и воду (H₂O).

Анаболизм – это синтез сложных органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов – из простых предшественников, поступающих в клетку из окружающей среды или образующихся в процессе катаболизма. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется АТФ (рис. 31). Анаболизм включает процессы синтеза аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов, полисахаридов, макромолекул белков, нуклеиновых кислот, АТФ^[2]. В результате пластического обмена из питательных веществ, поступающих в клетку, строятся свойственные организму белки, жиры, углеводы, которые, в свою очередь, идут уже на создание новых клеток, их органелл, межклеточного вещества^[3][4]. Принцип биохимического единства - одна из немногих догм, признаваемых в нашем веке. Согласно этому принципу, все живые существа, обитающие на Земле, в биохимическом отношении в основе своей сходны. Этот принцип выражается, например, в единообразии строительных блоков (в том числе в однотипности их оптического вращения), во всеобщей роли аденозинтрифосфата (АТР) как элементарного кванта биологической энергии, в универсальности генетического кода, а также в единстве путей превращения Сахаров и природы дыхательной цепи. Почти идентичны у всех живых существ и главные метаболические пути. Одним из выражений своеобразия живой системы является закон единства биохимического плана строения организмов. Смысл его заключается в том, что основные биохимические системы одинаковы у совершенно различных организмов видовые различия хотя и имеются, но они в общем незначительны и не могут затушевать бесспорного сходства биохимических механизмов

Молекулярные системы подвижности биологических систем. Структура поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры. Сократительные белки. Модели функционирования мышц. Поддержание ионного гомеостаза клеток. Транспортные АТФазы и ионные каналы.

Подвижность является характерным свойством всех форм жизни - расхождение хромосом в митотическом аппарате клеток, воздушно-винтовые движения жгутиков бактерий, крыльев птиц, точные движения человеческой руки, мощная работа мышц ног. Все это достигается работой мышц, обеспечивающих подвижность путем сокращения и последующего расслабления. Принято различать три типа мышечной ткани: 1. скелетная мускулатура; 2. сердечная мышца; Существует также деление на: 1. гладкие мышцы; 2. поперечно-полосатые мышцы. К поперечно-полосатым мышцам относятся:. скелетные; 2. мышцы языка и верхней трети пищевода; 3. внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие.

Гладкая мышечная ткань входит в состав мышц внутренних органов: желудочно-кишечного тракта, бронхов,   мочевыводящих путей, кровеносных сосудов. В морфологическом отношении миокард относится к поперечно-полосатой мускулатуре, но по ряду других   признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми мышцами. У позвоночных животных и человека различают три разных по строению группы мышц: поперечно-полосатые мышцы скелета; поперечно-полосатая мышца сердца; гладкие мышцы внутренних органов, сосудов и кожи.

Гладкие мышцы образуют мышечный слой стенок желудка, кишечника, мочеточников, бронхов, кровеносных сосудов и других полых органов. Они состоят из веретенообразных мышечных волокон и не имеют поперечной исчерченности, так как миофибриллы в них расположены менее упорядоченно. В гладких мышцах отдельные клетки соединяются между собой специальными участками наружных мембран - нексусами. За счет этих контактов потенциалы действия распространяются с одного мышечного волокна на другое. Поэтому в реакцию возбуждения быстро вовлекается вся мышца. Гладкие мышцы осуществляют движения внутренних органов, кровеносных и лимфатических сосудов. В стенках внутренних органов они, как правило, располагаются в виде двух слоев: внутреннего кольцевого и наружного продольного. В стенках артерии они формируют спиралевидные структуры.

Поперечно-полосатые мышцы располагаются на костях скелета и сокращением приводят в движение отдельные суставы и все тело. Скелетные мышцы образуют тело, или сому, поэтому их еще называют соматическими, а иннервирующую их систему — соматической нервной системой Скелетные мышцы состоят из большого числа мышечных волокон, которые объединяются в мышечные пучки. Каждое мышечное волокно имеет оболочку (сарколемму) и цитоплазму (саркоплазму). В саркоплазме находятся все компоненты животной клетки и вдоль оси мышечного волокна располагаются тонкие нити - миофибриллы, Каждая миофибрилла состоит из протофибрилл, в состав которых вкючены нити белков миозина и актина, являющихся сократительным аппаратом мышечного волокна. Миофибриллы разделены между собой перегородками, которые называются Z-мембранами, на участки - саркомеры. На обоих концах саркомеров к Z-мембране прикреплены тонкие актиновые нити, а в середине расположены толстые миозиновые нити. Нити актина своими концами частично входят между миозиновыми нитями. В световом микроскопе нити миозина выглядят в виде светлой полоски в темном диске. При электронной микроскопии скелетные мышцы выглядят исчерченными (поперечно-полосатыми). Сократительные белки мышечного волокна (актин, миозин). Толстые нити состоят из белка миозина. Миозин - белок с молекулярной массой около 500 кДа, содержащий две очень длинные полипептидные цепи. Эти цепи образуют двойную спираль, но на одном конце эти нити расходятся и формируют шаровидное образование - глобулярную головку. Поэтому в молекуле миозина различают две части - глобулярную головку и хвост.Второй участок головки миозина обеспечивает во время мышечного сокращения связь толстых нитей с белком тонких нитей - актином. Тонкие нити состоят из трех белков: актина, тропонина и тропомиозина. Основной белок тонких нитей - актин. Актин - глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа. Этот белок обладает двумя важнейшими свойствами. Во-первых, проявляет высокую способность к полимеризации с образованием длинных цепей, называемых фибриллярным актином (можно сравнить с нитью бус). Во-вторых, как уже отмечалось, актин может соединяться с миозиновыми головками, что приводит к образованию между тонкими и толстыми нитями поперечных мостиков, или спаек. Основой тонкой нити является двойная спираль из двух цепей фибриллярного актина, содержащая около 300 молекул глобулярного актина (как бы две нити бус, закрученные в двойную спираль, каждая бусинка соответствует глобулярному актину). Еще один белок тонких нитей – тропомиозин – также имеет форму двойной спирали, но эта спираль образована полипептидными цепями и по размеру гораздо меньше двойной спирали актина. Тропомиозин располагается в желобке двойной спирали фибриллярного актина. Третий белок тонких нитей – тропонин - присоединяется к тропомиозину и фиксирует его положение в желобке актина, при котором блокируется взаимодействие миозиновых головок с молекулами глобулярного актина тонких нитей. Очень часто для того, чтобы понять механизм работы объекта, его заменяют адекватной моделью. Модель – образ объекта, который содержит его характерные черты. Вначале предполагали, что мышца может моделироваться системой, состоящей из двух компонентов: активного и пассивного. Сократительный (активный) элемент уподоблялся демпфирующему компоненту. Пассивный элемент представлялся упругим компонентом. В последующем А. Хилл предложил модель мышцы, состоящую из трех компонентов (рис. 3.3), которая в настоящее время является общепринятой.

Мышечные волокна характеризуются высокой вязкостью, поэтому в модели их имитируют демпфером. Вязкая жидкость характеризуется прямой пропорциональностью между напряжением и скоростью деформации. Этот элемент в модели носит название сократительного компонента (СокК). Второй компонент – фасция, которой окружена мышца, а также соединительно-тканные образования, окружающие мышечные пучки, мышечные волокна, миофибриллы и т.д. В этом компоненте наиболее выражены упругие свойства мышц. Так как этот компонент расположен параллельно мышечным волокнам, он получил название параллельный упругий компонент (ПаУК). В модели он имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением. Третий компонент – сухожилие. В этом компоненте также преобладают упругие свойства, однако, жесткость этого компонента больше, чем у параллельного упругого компонента (напоминаем, что жесткость – это коэффициент пропорциональности между силой и удлинением пружины). Чем выше жесткость, тем больше сила упругости, возникающая при растяжении (деформации тела). Мышечные волокна переходят в сухожилия, то есть этот компонент расположен последовательно относительно сократительного компонента, поэтому он называется последовательным упругим компонентом (ПоУК). В модели он также имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением.

Гомеоста́з – способность организма поддерживать функционально значимые переменные в пределах, обеспечивающих его оптимальную жизнедеятельность Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах. Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала. В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животныесохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Клеточный гомеостаз. Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов. Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление естественно погибших клеток тканей или органов в случае нарушения их целостности.

Регенерация — процесс обновления структурных элементов организма и восстановление их количества после повреждения, направленный на обеспечение необходимой функциональной активности. В зависимости от регенерационной реакции ткани и органы млекопитающих можно разделить на 3 группы: 1) ткани и органы, для которых характерна клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы) 2) ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, лёгкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, поджелудочная железа, эндокринная система) 3) ткани, для которых характерно преимущественно или исключительно внутриклеточная регенерация (миокард и ганглиозные клетки центральной нервной системы)

В процессе эволюции сформировались 2 типа регенерации: физиологическая и репаративная. Ионные каналы и транспортные АТФазы – это мембранные белки, с помощью которых осуществляется трансмембранный перенос веществ. Через узкий канал могут проходить ионы определенного размера. В клетках наиболее часто встречаются каналы для Na⁺,Ca²⁺ , K⁺, Cl^- . Они бывают потенциалуправляемые – открываются в ответ на изменение потенциала и лигандуправляемые – открываются лигандами, например гормонами. Если канал открыт, ионы перемещаются по градиенту концентрации – пассивный транспорт. Если канал закрыт, то он не пропускает ионы. Транспортные АТФазы (ионные насосы) осуществляют активный транспорт неорганических ионов с затратами энергии. На плазматической мембране клеток человека имеется несколько транспортных АТФаз: Н⁺,К⁺ - АТФаза слизистой оболочки желудка, Na⁺, K⁺ - АТФаза в плазматической мембране клеток, Ca²⁺ - АТФазы. Na⁺, K⁺ - АТФаза катализирует АТФ-зависимый перенос в клетку 2-х ионов К⁺, а из клетки 3 ионов Na⁺. Так как выкачивается три положительно заряженных иона, а закачивается два, то на мембране внутри клетки возникает отрицательный заряд. Ca²⁺-АТФаза – переносит ионы кальция против градиента концентрации в ретикулуме и плазматической мембране. Na⁺,Ca²⁺-обменник на плазматической мембране это пример активного антипорта в результате которого два иона натрия по градиенту переносятся в клетку, а один ион кальция против градиента выходит из клетки. Активность разных каналов может изменяться под воздействием метаболитов, токсинов, лекарственных веществ. В медицине широко используются лекарства, действующие на ионные каналы и транспортные АТФазы. Например, антагонисты натриевых каналов используются как: 1) антиконвульсанты (противосудорожные - фенитоин), 2) антиаритмики (пропафенон), 3) местные анестетики (лидокаин). Агонисты калиевых каналов применяют для снятия мышечных спазмов (спазмолитики – периферические вазодилататоры – диазоксид). Они расширяют сосуды, улучшают кровоток, снижают артериальное давление. Назначаются при ИБС. Антагонисты калиевых каналов используются в качестве противоаритмических средств (амиодарон). Антагонисты АТФ-зависимых калиевых каналов в поджелудочной железе назначают для лечения диабета II типа. Это пероральные гипогликемические средства (гликлазид, гликвидон, глибенкламид). Сердечные гликозиды ингибируют Na⁺,K⁺- АТФазу, которая из клетки откачивает Na⁺, а закачивает K⁺. В результате действия сердечных гликозидов (строфантин, дигоксин) содержание ионов калия внутри кардиомиоцитов снижается, а ионов натрия повышается – это увеличивает возбудимость миокарда. Избыток ионов натрия обменивается на ионы кальция, а кальций увеличивает сократимость миокарда. То есть сердце работает лучше, повышается его тонус. Лекарства с таким эффектом называются кардиотоники. Кардиотоники улучшают кровоснабжение тканей, увеличивают диурез. Неизбежный результат действия таких лекарств – дефицит К⁺ в миокарде, который обязательно необходимо восполнять.