Презентация "Биологическое окисление и биоэнергетика клеток.Общие пути катаболизма. Тканевое дыхание. Электронно-транспортная цепь." – проект, доклад

Биологическое окисление и биоэнергетика клеток. Общие пути катаболизма. Тканевое дыхание. Электронно-транспортная цепь.

Доцент кафедры химии и биохимии, к.б.н. Бондаревич Е.А.

План лекции: Понятие о биоэнергетике или биохимической термодинамике. Основные понятия термодинамики, необходимые для понимания биоэнергетики. Понятия о катаболизме и анаболизме. Понятие о макроэргах, энергетика их гидролиза. Пути расходования и синтеза АТФ. ОВ равновесие и ОВ потенциал. Понятие о биологическом окислении и его биомедицинское значение. Клеточная локализация дыхательных процессов. Строение ферментных комплексов ЭТЦ. Организация дыхательной цепи (ЭТЦ). Природа и структура отдельных ферментных комплексов ЭТЦ. Механизм окислительного фосфорилирования. Дыхательный контроль и регуляция ЭТЦ. Патология тканевого дыхания.

Биоэнергетика, или биохимическая термодинамика, занимается изучением превращений энергии, сопровождающих биохимические реакции.

Клетка, как термодинамическая система обладает следующими свойствами: открытая; находится в стационарном состоянии; обладает максимальным запасом информации и минимум энтропии;

Некоторые понятия термодинамики

ΔG=ΔH-TΔS где ΔG – изменение свободной энергии, т.е. способность произвести ту или иную форму работы; ΔH - изменение энтальпии (теплосодержания); T - абсолютная температура и ΔS - изменение энтропии. ΔG > 0 – эндэргонический процесс (не самопроизвольный) ΔG < 0 – экзэргонический процесс (самопроизвольный)

Метаболизм (обмен веществ) – совокупность химических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Вещества участвующие в метаболизме называются метаболитами.

Внешний обмен веществ – внеклеточное переваривание веществ на путях их поступления и выделения из организма. Промежуточный обмен веществ (внутриклеточный метаболизм) - превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Последовательность биохимических реакций, направленных на модификацию того или иного субстрата до конечного продукта in vivo, называется метаболическим путём или в случае замкнутых процессов – циклом.

Катаболизм – это процессы распада, окисления, выведения веществ, которые сопровождаются высвобождением свободной энергии. Реакции катаболизма экзэргонические (ΔG < 0). Анаболизм – это процесс синтеза, восстановления, поступления веществ, протекает с поглощением энергии. Реакции анаболизма эндэргонические (ΔG > 0). Реакции, сопрягающие процессы анаболизма и катаболизма, называют амфиболическими.

Выделяют следующие фазы катаболизма

Пути метаболизма

Экзэргонический процесс (ΔG < 0)

Эндэргонический процесс (ΔG > 0)

конечные

Принцип энергетического сопряжения

1) АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4; ∆G = 30,5 кДж/моль, 2) глюкоза + Н3РО4 → глюкозо-6-фосфат; ∆G = +13,1 кДж/моль. _____________________________________________ Глюкоза + АТФ → гюкозо-6-фосфат + АДФ ∆Gреакц.= 30,5 кДж/моль + 13,1 кДж/моль = 16,1 кДж/моль.

Понятие о макроэргических соединениях (макроэргах) - это биологические молекулы, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе биохимических реакций. Принято разделять соединения на высокоэнергетические и низкоэнергетичесекие. Условной границей служит значение гидролиза фосфатной связи – более 30 кДж/моль. Макроэрги бывают следующей природы: Нуклеотидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ) и креатинфосфат. Тиоэфиры – ацетил-КоА, ацил-КоА. Енолфосфаты – фофсфоенолпируват.

Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых высоко- и низкоэнергетических соединений

Макроэрг или «высокоэнергетическое» соединение имеет макроэргическую связь, энергия гидролиза которой более 30 кДж/моль

Аденозинтрифосфат (АТФ) – главный высокоэнергетический интермедиант

Аденин Рибоза

три остатка фосфорной кислоты

Освобождение энергии при гидролизе тиоэфира (ацетил-КоА)

Освобождение энергии при гидролизе фосфоенолпирувата

Пути гидролиза высокоэнергетических фосфатов: АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 – наиболее частый вариант гидролиза макроэрга; АТФ + Н2О → АМФ + Н4Р2О7 – более редкий процесс гидролиза; АДФ + Н2О → АМФ + Н3РО4 - реакция приводит к выделению только тепла;

Макроэрги

Низкоэнергетический фосфат

Структура различных аденозинполифосфатов

Механизм гидролиза АТФ и освобождающаяся при этом энергия

Освобождение энергии при гидролизе 1,3-бисфосфоглицерата

Освобождение энергии при гидролизе фосфокреатина

Исключительное (промежуточное) положение АТФ среди богатых энергией соединений

Пути образования АТФ: Окислительное фосфорилирование АДФ + Н3РО4 + Е биоокисления→ АТФ; Субстратное фосфорилирование АДФ + креатинфосфат → АТФ + креатин; Трансфосфорилирование или «путь спасения» АДФ + АДФ → АТФ + АМФ;

Механизмы ресинтеза АТФ в мышцах

Указаны механизмы и энергетические субстраты (в рамках)

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ Окисление питательных веществ может протекать: с отщеплением водорода, от окисляемого субстрата (S) - дегидрирование; с потерей электрона; с присоединением кислорода. Все три типа реакций равнозначны и могут протекать в живой клетке при участии ферментов и называются биологическим окислением. Если акцептором водорода и электронов в ОВР в клетке служит не кислород, совокупность таких реакций называют анаэробным окислением. Этот тип окисления является процессом генерации водорода с никотинзависимыми (НАД+ и НАДФ+) и флавинзависимыми дегидрогеназами (ФМН и ФАД). Если акцептором водорода и электронов служит кислород, такую совокупность ОВР называют аэробным окислением или тканевым дыханием. Таким образом, тканевое дыхание – это распад субстрата в клетках, сопровождающийся потреблением кислорода. Процесс аэробного окисления можно представить следующим уравнением: SH2 + 1/2 O2 = S + H2O. Окисляемые различные органические вещества (S - субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом. Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР.

Окислительно-восстановительные или редокс пары и их стандартные red/ox потенциалы

Структура митохондрий

Схема митохондрии

Схема электронно-транспортной цепи митохондрии

Все компоненты ЦПЭ расположены в митохондриальной мембране в порядке возрастания редокс-потенциалов; самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от дегидрируемых субстратов на кислород, сопровождающееся освобождением части свободной энергии электронов. Около 40% этой энергии трансформируется в энергию химических связей в процессе окислительного фосфорилирования.

Питер Деннис Митчелл, (29 сентября 1920 - 10 апреля 1992 года) британский биохимик, который был удостоен в 1978 году Нобелевской премии по химии за открытие хемиосмотического механизма ATP-синтеза

Структура АТФ-синтазного комплекса

Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О) этот число молекул неорганического фосфата (Фн), которое перешло в в форму АТФ в расчете на каждый поглощенный атом кислорода. Он равняется числу молекул АТФ, которые образуются при перенесении 2-х электронов по ЭТЦ на один атом кислорода (максимальное значение Р/О – 3). При окисления субстратов через НАДН-КоQ-редуктазу (через I, III, IV комплексы), образуется 3 молекулы АТФ (Р/О = 3). При окислении субстратов через сукцинат-КоQ–редуктазу (II, III, IV комплексы) образуется 2 молекулы АТФ (Р/О = 2). В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР .

Ингибиторы дыхательной цепи

Спасибо за внимание!!!