Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Клеточное дыхание

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H₃PO₄ + энергия  АТФ + H₂O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, а водород (Н⁺ и е^-) переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды, называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование. В этом случае макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и физиологических процессах.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения, состоящие из мононуклеотидов, т.е. их структурной единицей является мононуклеотид (нуклеотид). Каждый нуклеотид включает 3 химически различных компонента: моносахарид, азотистое основание, остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в РНК и ДНК, отличаются друг от друга по составу. Соединение основания и пентозы называют нуклеозидом, связь между пентозой и азотистым основанием (b - гликозидная) образована - первым атомом углерода пентозы с первым атомом азота в пиримидиновых нуклеозидах и девятым атомом азота в пуриновых нуклеозидах. Нуклеотиды представляют собой соединения нуклеозидов с фосфорной кислотой (связь сложно – эфирная). В составе РНК и ДНК по 4 нуклеозидмонофосфата (нуклеотида).

Номенклатура наиболее распространенных нуклеотидов.

РИБОНУКЛЕОЗИДМОНОФОСФАТЫ:

1. Аденозинмонофосфат ( АМФ ), адениловая кислота.

2.Гуанозинмонофосфат ( ГМФ ), гуаниловая кислота.

3.Цитидинмонофосфат ( ЦМФ ), цитидиловая кислота.

4.Уридинмонофосфат (УМФ), уридиловая кислота

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДМОНОФОСФАТЫ:

1. д.Аденозинмонофосфат ( д.АМФ ).

2.д.Гуанозинмонофосфат ( д.ГМФ ).

3 д.Цитидинмонофосфат ( д.ЦМФ ).

4.Тимидинмонофосфат ( д.ТМФ ).

Структура нуклеиновых кислот.

Первичные структуры РНК и ДНК построены однотипно, они представляют собой линейные полимеры – полинуклеотиды, состоящие из мононуклеотидов, соединенных 3',5' – фосфодиэфирными связями. При этом сложноэфирная связь образована фосфатным остатком одного мононуклеотида и 3' – гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3',5' – фосфодиэфирная связь). Концы полинуклеотидов различаются по структуре: на одном конце имеется свободная 5' – фосфатная группа (5' – конец), на другом – свободная 3' – ОН - группа (3' – конец). Уникальность структуры и функциональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяется их первичной структурой.

Вторичная структура ДНК.

Особенностью нуклеотидного состава ДНК является то, что число адениловых нуклеотидов равно числу цитидиловых: А=Т, Г=Ц, следовательно, А+Г=Т+Ц, т.е. число пуриновых нуклеотидов равно числу пиримидиновых (правила Чаргаффа). Такие соотношения не свойственны РНК. Исходя из правил Чаргоффа о нуклеотидном составе ДНК и из рентгеноструктурных исследований, Дж. Уотсон и Ф. Крик (Великобритания) предложили модель строения ДНК (1953) Согласно этой модели молекула ДНК представляет собой двойную спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3' a 5' , то вторая – в направлении 5' a 3'. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5' – конец одной цепи и 3' – конец другой цепи. Все основания цепей ДНК (гидрофобные по свойствам) расположены внутри двойной спирали, а пентозы и остатки фосфорной кислоты – снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счет водородных связей, образующихся за счет специфического взаимодействия между парами комплементарных оснований. Комплементарными являются А и Т, они образуют две водородные связи, а также Г и Ц образуют три водородные связи. Кроме водородных связей в стабилизации вторичной структуры ДНК участвуют гидрофобные взаимодействия возникающие за счет гидрофобных азотистых оснований, обращенных внутрь спирали. Гидрофобные взаимодействия вносят основной вклад в стабилизацию двойной спирали, больший чем водородные связи между цепями. Рибозофосфатные связи располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали

Особенности структуры РНК.

Первичная структура РНК аналогична первичной структуре ДНК и представляет полинуклеотидную цепь, состоящую из мононуклеотидов, соединенных 3' a 5' – фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура РНК.Молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли "шпильки", за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями А-У и Г-Ц. Участки цепи РНК в таких спирализованных участках антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК. Такие спирализованные участки содержат небольшое число нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками.

Основные типы РНК.

По особенностям структуры и функциям различают 3 типа рибонуклеиновых кислот – транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомальные РНК (рРНК). Они различаются по первичной структуре, молекулярной массе, конформации, продолжительности жизни и по функциональной активности.

1.Транспортные РНК (тРНК)Пространственную структуру тРНК, независимо от различий в последовательности нуклеотидов, описывают универсальной моделью "клеверного листа". В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3'-конце молекулы и антикодон – специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК. Транспортные РНК составляют около 15% всей РНК клетки, они участвуют в транспорте аминокислот.

Строение транспортных РНК.

1. Рибосомные РНК (рРНК) – компоненты рибосом. На долю рРНК приходится около 80% всей РНК клетки.

2. Матричные РНК (мРНК) составляют около 2% от всей РНК клетки. Матричные РНК называются также информационными РНК (иРНК).

Третичная структура нуклеиновых кислот.

Одноцепочные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путем взаимодействия спирализованных участков вторичной структуры. Третичная структура РНК стабилизируется ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg²⁺. Исследование некоторых ДНК вирусов митохондрий, хлоропластов при помощи физических, физико-химических методов показало, что двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы.

Суперспиральная структура (суперскрученная) обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой форме, в хромосоме человека молекула ДНК настолько плотно упакована, что ее длина укладывается в 5 нм.

Имеющиеся данные о структуре тРНК свидетельствуют о том, что нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большей компактностью, образованной за счет складывания различных частей молекулы.

ФОСФОПРОТЕИНЫ.

Фосфопротеины – это сложные белки, содержащие в своем составе в качестве простетической части фосфорную кислоту. Фосфорная кислота связана сложно – эфирной связью с белковой частью молекулы через гидроксильные группы оксиаминокислот (серин, треонин). Установлено, что фосфопротеины в клетках синтезируются в результате фосфорилирования при участии протеинкиназ. К фосфопротеинам относится казеиноген молока, который представляет собой белок с сильно выраженными гидрофильными свойствами. Казеиноген в молоке находится в виде кальциевой соли. Поэтому организм получает с молоком необходимые аминокислоты, кальций, лабильно связанный фосфор, находящиеся в казеиногене.

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Углеводы - это полиоксикарбонильные соединения и их производные.

Основными углеводами организма человека являются:

1.Моносахариды (глицеральдегид, диоксиацетон,эритроза, рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилулоза,глюкоза, галактоза, фруктоза, манноза, арабиноза и др.);

2.Олигосахариды (мальтоза, лактоза, сахароза);

3.Гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка);

4.Гетерополисариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарин).

Окисление высших жирных кислот

Жировая ткань, состоящая из адипозоцитов, выполняет специфическую роль в липидном обмене. Около 65% массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триацилглицеролов (ТАГ) - они представляют собой форму запасания энергии и выполняют в обмене жиров такую же функцию, как гликоген печени в обмене углеводов. Отложенные жиры в жировой ткани служит источником эндогенной воды и энергетическим резервом для организма человека. ТАГ используется в организме после предварительного расщепления (липолиза), в ходе которого освобождаются глицерин и свободные жирные кислоты. В клетках жировой ткани при участии липаз происходит распад ТАГ. Липаза находится в неактивной форме, она активируется гормонами (адреналином, норадреналином, глюкагоном, тироксином, глюкокортикоидами, СТГ, АКТГ) в ответ на стресс, голодание, охлаждение продуктами реакции являются моноацилглицерин и ВЖК. ВЖК с помощью альбуминов переносятся кровью к клеткам тканей, органов, где происходит их окисление.

Окисление высших жирных кислот.

Источники ВЖК:

- липиды жировой ткани

- липопротеины

-триацилглицерины

-фосфолипиды клеточных биомембран

Окисление ВЖК происходят в митохондриях клеток, и называется бетта окислением. Доставка их к тканям и органам происходит при участии альбумина, а транспорт из цитоплазмы в митохондрии при участии карнитина. Процесс бета-окисления ВЖК складывается из следующих этапов:

-активация ВЖК на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, конзима А и ионов магния с образованием активной формы ВЖК (ацил - КоА).

-транспорт жирных кислот внутрь митохондрий возможен при присоединении активной формы жирной кислоты к карантину, находящемуся на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Образуется ацил-карнитин, обладающий способностью проходить через мембрану. На внутренней поверхности комплекс распадается и карнитин возвращается на наружную поверхность мембраны.

-внутримитохондриальное окисление жирных кислот состоит из последовательных ферментативных реакций. В результате одного завершенного цикла окисления происходит отщепление от жирой кислоты одной молекулы ацетил-КоА, т.е. укорочение жирнокислотной цепи на два углеродных атома.Приэтом в результате двух дегидрогеназных реакций восстанавливается ФАД до ФАДН₂ и НАД⁺ до НАДН₂. Т.о. завершая 1 цикл бега - окисления ВЖК, в результате которого ВЖК укоротилось на 2 углеродных звена. При бета -окислении выделилось 5АТФ и 12АТФ выделилось при окислении АЦЕТИЛ-КОА в ЦТК и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. Окисление ВЖК будет происходить циклически одинаково, но только до последней стадии - стадии превращения масляной кислоты (БУТИРИЛ-КОА), которая имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при подсчёте суммарного энергетического эффекта окисления ВЖК, когда в результате одного цикла образуется 2 молекулы АЦЕТИЛ-КОА, одна из них проходила бета -окисление с выделением 5АТФ, а другая нет.

ОКИСЛЕНИЕ ВЖК, ИМЕЮЩИХ НЕЧЕТНОЕ КОЛИЧЕСТВО УГЛЕРОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ В ЦЕПИ

Такие ВЖК поступают в организм человека в составе пищи с мясом жвачных животных, растений, морских организмов. Окисление таких ВЖК происходит также как и ВЖК, имеющих чётное количество углеродных звеньев в цепи, но только до последней стадии - стадии превращения ПРОПИОНИЛ-КОА. которая имеет свои особенности.

Т.о. образуется СУКЦИНИЛ-КОА, который в дальнейшем окисляется в МИТОХОНДРИЯХ с участием ферментов ЦТК КРЕБСА и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи.

Окисление глицерина

Окисление глицерина в тканях тесно связано с ГЛИКОЛИЗОМ, в который вовлекаются метаболиты обмена глицерина по следующей схеме:

При окислении глицерина образовались конечные продукты:

СО2 на этапе превращения:

1. ПИРУВАТА

2.ИЗОЦИТРАТА

3.Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

Н₂О на этапе превращения:

1 .альфа -ГЛИЦЕРОФОСФАТА

2. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА

3. 2-ФОСФОГЛИЦЕРАТА

4.ПИРУВАТА

5.ИЗОЦИТРАТА

6.Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

7. СУКЦИНАТА

8. МАЛАТА

АТФ выделилось за счёт реакций

А) Субстратного фосфорилиования на этапах превращения:

1. 1,3-дифосфоглицерата

2.2-фосфоенолпирувата

3.Сукцинил-КоА

Б) Окислительного фосфорилирования на этапах превращения:

1.Альфа-глицерафосфата

2.Глицеральдегид-3 фосфата

3.Пирувата

4.Изоцитрата

5. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

6.Сукцината

7.Малата

Суммарный энергетический эффект окисления одной молекулы глицерина равен 22 АТФ.