Курс лекцій з біохімії
МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ`Я УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Л.І. Гребеник, І.Ю. Висоцький
КУРС ЛЕКЦІЙ З БІОХІМІЇ
Розділ
«ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ. МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ БІОЕНЕРГЕТИКИ»
для студентів спеціальності 7.110101
денної форми навчання
Затверджено
на засіданні кафедри біохімії і фармакології як курс лекцій з дисципліни «Біологічна хімія».
Протокол №23 від 14.06.2011 р.
Суми
Сумський державний університет
2011
Курс лекцій з біохімії. Розділ «Загальні закономірності метаболізму. Молекулярні основи біоенергетики» / укладачі: Л.І. Гребеник, І.Ю. Висоцький. – Суми: Сумський державний університет, 2011. – 74 с.
Кафедра біохімії і фармакології
Передмова
Обмін речовин, який безперервно відбувається в нашому організмі, є основою життєдіяльності живих організмів. Саме він забезпечує речовинами та енергією клітини, відтак можливі їх ріст, розвиток, взагалі існування. Довгий час вважалося, що всі речовини, які є в організмі, поділяються на дві групи. Одні необхідні як структурний матеріал, і тому вони незмінні, інші, що забезпечують енергією, постійно змінюються. Зі введенням мічених атомів у біологічні дослідження було доведено, що всі речовини - це динамічні структури, які підлягають розщепленню і знову синтезуються. Так, наприклад, за 80 днів оновлюється приблизно 50% усіх білків організму людини. В нашому організмі обмін речовин пов’язаний з обміном енергії. Існування цих процесів окремо взагалі неможливе.
У цілому обмінні процеси забезпечують життєдіяльність організму людини на всіх рівнях. Будь-яке порушення перебігу реакцій призводить до зміни фізіологічного стану, що може мати серйозні клінічні наслідки.
Розділ курсу лекцій «Загальні закономірності метаболіз-му. Молекулярні основи біоенергетики» висвітлює саме питан-ня, які необхідно вважати базовими для розуміння різних видів обміну в організмі. В цьому розділі надані загальна інформація про обмін речовин, визначення основних термінів та понять, розглянуті питання такого важливого розділу біохімії, як біоенергетика, наведені приклади можливих порушень процесів продукції енергії в клітині, надані пояснення щодо роботи антиоксидантної системи організму.
Автори вважають, що курс лекцій з розділу «Загальні закономірності метаболізму. Молекулярні основи біоенерге-тики» буде корисним для майбутніх лікарів під час вивчення біологічної хімії.
Haurit aquam cribro , qui discere vult sine libro
Той, хто хоче навчатися без книги, черпає воду решетом
1. Загальні закономірності метаболізму
В організмі відбувається безліч хімічних реакцій, які спрямовані на продукування енергії, синтез необхідних для нормальної життєдіяльності речовин, зберігання та реалізацію генетичної інформації, відновлення клітинних структур, взаємозв’язок із навколишнім середовищем, адаптацію до змін внутрішніх та зовнішніх чинників, тощо.
Існує термін, який досить часто ми використовуємо у повсякденному житті, – «обмін речовин», науковий синонім якого «метаболізм» (metabol – від грец. перетворення). Ці терміни використовують саме для характеристики тих реакцій, які відбуваються в живому організмі. Спрощене визначення цього поняття таке:
 |
Використання терміна «метаболізм» може бути в більш розширеному контексті й означати сукупність усіх реакцій від моменту надходження поживних речовин до утворення та виведення кінцевих продуктів обміну. В цьому разі метаболізм передбачає такі послідовні стадії:
1) надходження білків, ліпідів, вуглеводів, неорганічних речовин з продуктами харчування;
2) перетравлювання органічних речовин до більш простих та їх усмоктування в ШКТ;
3) транспорт сполук кров’ю від ШКТ до клітин організму;
4) біохімічні перетворення в клітинах різних органів та систем, у тому числі з утворенням кінцевих продуктів;
5) екскреція кінцевих продуктів обміну (СО2, NH3, сечовини, сечової кислоти, кон’югатів тощо).
Проте найчастіше під цим поняттям розуміють проміжний обмін (внутрішньоклітинний), що відбувається безпосередньо в клітинах, тобто сукупність усіх хімічних пере-творень клітин організму. Так, наприклад, виділяють метаболізм білків, метаболізм вуглеводів, метаболізм нуклеотидів тощо.
Зазначене трактування терміна «обмін речовин» досить умовне. В біохімії людини розглядають як хімічні перетворення, пов’язані з перетравлюванням та всмоктуванням окремих нутрі-єнтів, так і специфічні реакції, що відбуваються безпосередньо в клітинах.
Розгляд будь-якого питання пов'язаний з використанням набору термінів, не винятком є і питання особливостей обміну речовин. Зазвичай використовують такі терміни:
Метаболічні шляхи можуть мати послідовний характер і становити лінійний ланцюг реакцій від субстрату до кінцевого продукту. В організмі також існують циклічні процеси (цикли), в яких початковий субстрат метаболічного шляху в результаті ланцюга реакцій відновлюється і знову бере участь у перетвореннях, тобто процес має замкнений характер.
Метаболічні шляхи поділяють не лише за видом послідовності реакцій у них, але й за біологічним значенням для життєдіяльності організму.
Виділяють:
До головних метаболічних шляхів, наприклад, належать синтез ДНК, РНК, білків, цикл Кребсу, синтез жирних кислот, тощо. До специфічних метаболічних шляхів потрібно віднести метаболізм глюкуронової кислоти, сорбітолу, карнозину, анзерину тощо.
У клітинах організму відбуваються синтез і розпад сполук, тобто процеси, які мають взаємопротилежні напрям і кінцевий результат. Тому в метаболізмі виділяють:
Відповідно всі метаболічні шляхи в організмі поділяють на:
1) анаболічні – біохімічні перетворення, які спрямовані на синтез білків, ліпідів, вуглеводів тощо.
2) катаболічні – біохімічні перетворення, які містять реакції розщеплення сполук (гідроліз, окиснення, тощо).
Крім того, існують амфіболічні шляхи, які поєднують процеси катаболізму та анаболізму:
Виходячи з визначення, катаболічний шлях може бути амфіболічним (тобто виконувати амфіболічну функцію) в разі, якщо його проміжні метаболіти вилучаються або використо-вуються для синтезу інших молекул. Схематично цей процес має такий вигляд (літерами позначені умовні метаболіти):
У даному випадку катаболічний процес А→В→С→D є амфіболічним, тому що проміжний продукт В використовується для синтезу сполуки G.
Амфіболічні шляхи надають метаболізму певної гнучкості, що дозволяє здійснювати більш точну регуляцію процесів. Крім того, гіпотетичне існування виключно процесів анаболізму та катаболізму, які мають протилежний напрям реакцій, створювало б цикли (футильні цикли), які б не мали ніякого метаболічного сенсу взагалі, що власне спостерігається при деяких патологічних станах.
Для підсилення метаболічних шляхів, що необхідно, наприклад, для утворення більшої кількості енергії, в клітинах існують анаплеротичні реакції (поповнювальні). Послідовність таких реакцій продукує метаболіт, який потім може надходити в певний метаболічний процес, робота якого стане більш ефективною, тобто процес буде підсилений. Ілюстрацією анаплеротичних реакцій може бути така схема, де літерами позначені умовні метаболіти:
З термодинамічної точки зору, всі анаболічні процеси є ендергонічними, тобто відбуваються з поглинанням енергії (реакції синтезу та відновлення). Відповідно катаболічні процеси – це екзергонічні, тобто супроводжуються виділенням енергії, яка акумулюється у високоенергетичних (макроер-гічних) сполуках (наприклад, АТФ, креатин-фосфат тощо); ці сполуки в подальшому використовуються для анаболічних перетворень.
Тобто між катаболізмом та анаболізмом існує взаємозв’язок, який реалізується на енергетичному рівні, а також на рівні субстратів. Катаболічні перетворення постачають енергію для реакцій синтезу.
Крім того, в ході катаболізму відбувається утворення простих сполук, які можуть бути використані для синтезу більш складних. У свою чергу, анаболізм постачає складні речовини для катаболізму, реакції якого перетворюють їх у більш прості й проходять з виділенням енергії. Схематично взаємозв’язок анаболізму та катаболізму ілюстрований на рис. 1.
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1 - Взаємозв’язок анаболізму та катаболізму на енергетичному рівні
1.1. Стадії катаболізму біомолекул
До основних «паливних» молекул нашого організму належать вуглеводи, ліпіди та білки. При катаболізмі цих сполук виділяється енергія, що використовується у всіх процесах, необхідних для нормального функціонування організму. Вивільнення цієї енергії відбувається поступово в декілька стадій.
Головними постачальниками енергії є вуглеводи, оскільки процес їх окиснення має найбільшу швидкість порівняно з іншими «паливними» молекулами. Друге місце займають ліпіди, які містять значно більшу кількість енергії, ніж вуглеводи, але вивільнення цієї енергії можливо лише при наяв-ності в клітині активованих процесів катаболізму, вуглево-дів у тому числі. У зв’язку з цим існує такий вислів: «ліпіди згорають у полум’ї вуглеводів». Саме тому швидкість катаболізму ліпідів менша. Білки підключаються до процесів продукції енергії в останню чергу і стають активними постачальниками енергії в разі дефіциту вуглеводів та ліпідів. Використання значної кількості білків (більш ніж 20%) для енергопродукції може призвести до розвитку патологічних станів.
Вивільнення енергії вуглеводів, ліпідів і білків відбува-ється при їх катаболізмі, в якому виділяють три стадії (за умов наявності кисню). Стадії аеробного катаболізму білків, вуглеводів та ліпідів схематично зображені на рис. 2.
Перша стадія
Катаболізм біомолекул починається з того, що відбувається розщеплення більш складних молекул до простих їх складових:
- білків – до амінокислот,
- вуглеводів (полісахаридів) – до моносахаридів,
- ліпідів (триацилгліцеролів)– до гліцеролу та жирних кислот.
Реакції цієї стадії відбуваються в цитозолі клітин і не супроводжуються виділенням енергії.
Друга стадія
Далі структурні компоненти біополімерів, що утворилися на першій стадії (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти, гліцерил), поступово розщеплюються до спільного ключового метаболіту для всіх видів обміну – ацетил-КоА (активна форма оцтової кислоти).
Реакції другої стадії до утворення піровиноградної кислоти (ПВК, або піруват) відбуваються в цитозолі, переворення пірувату в ацетил-КоА – у мітохондріях.
До процесів катаболізму цієї стадії належать:
- для моносахаридів (основним є глюкоза) – це реакції гліколізу до пірувату і далі до ацетил-КоА;
- для амінокислот – це реакції дезамінування, які для деяких з них супроводжуються утворенням пірувату, а потім ацетил-КоА; для інших – одразу утворюється ацетил-КоА;
- для жирних кислот – реакції β-окиснення, кінцевим продуктом яких є ацетил-КоА;
- для гліцеролу – реакції розщеплення з утворенням пірувату й ацетил-КоА.
Рисунок 2 - Стадії катаболізму білків, вуглеводів, ліпідів.
Друга стадія супроводжується виділенням енергії, кіль-кість якої значно поступається кількості енергії третьої стадії.
Третя стадія
На цій стадії відбувається окиснення ацетил-КоА до кінцевих продуктів Н2О та СО2, що супроводжується генерацією значної кількості енергії (70-80% енергії).
Третя стадія відбувається в мітохондріях і складається з таких процесів, як ЦЛК (цикл лимонної кислоти) та функ-ціонування електронтранспортного мітохондріального ланцюга (дихальний ланцюг мітохондрій), робота якого пов’язана з окисним фосфорилюванням – основним процесом синтезу АТФ у клітинах.
Перша та друга стадії належать до специфічних шляхів катаболізму – розпад паливних молекул до ацети-КоА відбувається власними шляхами, які для білків, вуглеводів та ліпідів не збігаються, тобто є специфічними. Третя стадія – загальні шляхи катаболізму, оскільки відбувається подальший розпад ацетильного залишку, - загального проміжного метабо-літу, до кінцевих продуктів. Тобто загальні шляхи катаболізму – це ЦЛК та окисне фосфорилювання.
2. Молекулярні основи біоенергетики
Біоенергетика – це розділ біохімії, який вивчає молекулярні основи продукції та використання енергії, молеку-лярні форми її акумуляції в живих організмах. Стан енерге-тичного обміну в живих системах може бути описаний I зако-ном термодинаміки, використання якого щодо живих організмів матиме такий вигляд: у живих організмах під час реалізації різноманітних біохімічних реакцій загальна кількість енергії залишається сталою.
Акумуляцію та передачу цієї енергії в живих клітинах здійснюють високоенергетичні (макроергічні) фосфати. Їм належить важлива роль в енергетичному процесі клітини, оскільки їх наявність дозволяє організму перетворювати енергію окиснення сполук у хімічну енергію (макроергів) до того моменту, як енергія буде розсіяна у вигляді тепла.
2. 1. Макроергічні фосфати
Макроергічні фосфати – це фосфати з високим енергетик-ним потенціалом. Ці сполуки містять фосфодіефірний зв'язок, при гідролізі якого утворюється енергія більш ніж - 30 кДж/моль (макроергічний зв'язок).
У клітинах містяться різні біофосфати з різним енергетичним потенціалом. Залежно від кількості енергії, яка акумульована в макроергічних зв’язках цих сполук, усі біофосфати умовно можна поділити на три групи.
1. Надвисокоенергетичні фосфати – це фосфати, енер-гія гідролізу фосфодиефірних зв’язків яких ∆Go> - 30 кДж/моль (або -7,3 ккал/моль).
До цієї групи належать:
фосфоенолпіруват (∆Go= -61,9 кДж/моль),
1,3 –дифосфогліцерат (∆Go= - 54,5 кДж/моль),
карбамоїлфосфат (∆Go = - 51, 4 кДж/моль),
креатинфосфат (∆Go= - 43,1 кДж/моль) та ін.
Реалізація енергії надвисокоенергетичних фосфатів здійснюється виключно через синтез АТФ. Наприклад, енергія, що акумульована в креатинфосфаті, спочатку передається на АТФ, і лише потім використовується:
Креатинфосфат + АДФ ↔ креатин + АТФ (креатинфосфокіназна реакція)
Далі енергія АТФ буде використана відповідно до потреб організму. Незважаючи на те, що ∆Go макроергічних зв’язків АТФ менша, ніж органічних фосфатів цієї групи, лише енергія гідролізу АТФ безпосередньо може бути використана в ендергонічних реакціях клітини.
2. Високоенергетичні фосфати – це фосфати, енергія гідролізу фосфодіефірних зв’язків яких приблизно дорівнює -30кДж/моль (∆Go≈ - 30 кДж/моль). До цієї групи належать нуклеозидтрифосфати, такі як АТФ, ГТФ та ін.
3. Низькоенергетичні фосфати – це органічні фосфати з ∆Go< - 30 кДж/моль. Енергія низькоенергетичнихфосфатів не може бути використана в енергонічних процесах.
До цієї групи сполук, наприклад, належать:
АМФ (∆Go= - 9,6 кДж/моль),
АДФ (∆Go= - 27,6 кДж/моль),
гліцерофосфат (∆Go= - 9,2 кДж/моль),
глюкозо-6-фосфат (∆Go= - 13,8 кДж/моль).
Енергія може бути акумульована в різних субстратах окиснення, проте лише енергія у формі АТФ може бути використана клітинами організму. Саме тому АТФ називають «універсальним джерелом енергії».
Енергія АТФ може бути використана в різних процесах. На рис. 2 схематично показані шляхи використання АТФ.