Лекция_Обмен веществ

1.

Лекция
Обмен веществ

2.

Обмен веществ (ОВ) - метаболизм
Метаболизм представляет собой высоко
координированную и целенаправленную клеточную
активность, обеспеченную участием многих
взаимосвязанных ферментативных систем, и включает
два неразрывных процесса анаболизм и катаболизм.
ОВ выполняет три специализированные функции:
1. Энергетическая – снабжение клетки химической
энергией,
2. Пластическая – синтез макромолекул как
строительных блоков,
3. Специфическая – синтез и распад биомолекул,
необходимых для выполнения специфических
клеточных функций.

3.

Схема взаимосвязи, разнонаправленных процессов
метаболизма - анаболизма и катаболизма

4.

Анаболизм и катаболизм –
это два разнонаправленных, но взаимосвязанных
процессов живого организма, составляющих метаболизм,
или обмен веществ.
Анаболизм
Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов,
липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из
малых молекул - предшественников. Поскольку он
сопровождается усложнением структуры, то требует
затрат энергии. Источником такой энергии является
энергия АТФ.

5.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

6.

Также для биосинтеза некоторых
веществ (жирные кислоты,
холестерол) требуются богатые
энергией атомы водорода –
их источником является НАДФН.
Молекулы НАДФН образуются в
реакциях окисления
глюкозо-6-фосфата
в пентозном пути и
оксалоацетата малик-ферментом.
В реакциях анаболизма НАДФН
передает свои атомы водорода
на синтетические реакции и
окисляется до НАДФ.
Так формируется
НАДФ-НАДФН-цикл.

7.

• Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т
• (НАДФ, NADP)

8.

Катаболизм
Катаболизм – расщепление и окисление сложных
органических молекул до более простых конечных
продуктов. Катаболизм сопровождается
высвобождением энергии, заключенной в сложной
структуре веществ.
Большая часть высвобожденной энергии
рассеивается в виде тепла.
Меньшая часть этой энергии "перехватывается"
коферментами окислительных реакций НАД и ФАД
(флавинадениндинуклеотид),
некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

9.

!!!
• НАД и ФАД забирают энергию от окисляемых
субстратов.
• И эти реакции называются
окислительно-восстановительными, которые
осуществляют ферменты 1 класса - оксидоредуктазы.
В этих реакциях субстраты окисляются, отдают свои
водороды на НАД или ФАД. А продуктами являются
окисленные субстраты и восстановленные НАДН или
ФАДН2 .
Окислительно-восстановительным эквивалентом
живых организмов является атом водорода, или пара
Н+ и ӗ

10.

• Атомы водорода,
высвобождаемые в реакциях окисления веществ, могут
использоваться клеткой только по двум направлениям:
• на анаболические реакции в составе НАДФН и
• на образование АТФ в митохондриях при
окислении НАДН и ФАДН2.
Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа:
1й происходит в кишечнике, а
2й и 3й этапы происходят в клетках.

11.

Этапы катаболизма
I этап
Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или
в лизосомах при расщеплении уже ненужных молекул.
При этом освобождается около 1% энергии,
заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

12.

II этап
Вещества, образованные при внутриклеточном
гидролизе или проникающие в клетку из крови, на
втором этапе обычно превращаются в
пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в
составе ацетил-S-КоА) и в некоторые другие мелкие
органические молекулы.
Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии.
• Часть энергии рассеивается в виде тепла и
примерно 13% энергии вещества усваивается, т.е.
запасается в виде макроэргических связей АТФ.

13.

III этап
• Все реакции этого этапа идут в митохондриях.
Ацетил-SКоА включается в реакции цикла Кребса (или
трикарбоновых кислот) и окисляется до углекислого газа.
Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД
и
восстанавливают их.
После этого НАДН и ФАДН2 переносят водород в цепь
дыхательных ферментов, расположенную на внутренней
мембране митохондрий. Здесь в результате процесса
под названием "окислительное фосфорилирование"
образуется вода и главный продукт биологического
окисления – АТФ.
• Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы
рассеивается в виде тепла и около 46% энергии
исходного вещества усваивается, т.е. запасается в
связях АТФ и ГТФ.

14.

Общая
схема
окисления

15.

Роль АТФ
• Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма,
запасается в виде связей,
называемых макроэргическими. Основной и
универсальной молекулой, которая запасает
энергию и при необходимости отдает ее,
является АТФ.
• Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в
каких-либо реакциях, постоянно расщепляются до
АДФ и вновь регенерируют.
• Существует три основных
способа использования АТФ
1 - биосинтез веществ,
2 - транспорт веществ через мембраны,
3 - изменение формы клетки и ее движение.
Эти процессы вкупе с процессом образования АТФ
получили название АТФ-цикл:

16.

Кругооборот АТФ в жизни клетки

17.

Цикл АТФ-АДФ

18.

Общая схема обмена веществ и энергии
1 - пищеварение;
2 - катаболизм;
3 - анаболизм;
4 - распад структурнофункциональных
веществ;
5 - экзергонические
реакции
(самопроизвольные);
6,7 - эндергонические
реакции
(несамопроизвольные)
;
8 - выведение из
организма

19.

Способы получения энергии в клетке
В клетке существуют четыре основных процесса,
обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей
при окислении веществ и ее запасание:
1. Гликолиз (2 этап биологического окисления)
2. β-Окисление жирных кислот (2 этап биологического
окисления)
3. Цикл трикарбоновых кислот
(ЦТК, 3 этап биологического окисления
4. Окислительное фосфорилирование
(3 этап биологического окисления) –

20.

1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) –
окисление молекулы глюкозы до двух молекул
пировиноградной кислоты, при этом образуется
2 молекулы АТФ и НАДН.
Далее пировиноградная кислота в аэробных
условиях превращается в ацетил-SКоА, в
анаэробных условиях – в молочную кислоту.
• 2. β-Окисление жирных кислот
(2 этап биологического окисления) –
окисление жирных кислот до ацетил-SКоА, здесь
образуются молекулы НАДН и ФАДН2.
Молекулы АТФ "в чистом виде" не появляются.

21.

3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК,
цикл Кребса 3 этап биологического окисления)
– окисление ацетильной группы (в составе
ацетил-SКоА) или иных кетокислот до
углекислого газа. Реакции полного цикла
сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что
эквивалентно одной АТФ),
3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН2.
• 4. Окислительное фосфорилирование (3 этап
биологического окисления) – окисляются НАДН и
ФАДН2, полученные в реакциях катаболизма
глюкозы, аминокислот и жирных кислот.
При этом ферменты дыхательной цепи на
внутренней мембране митохондрий обеспечивают
образование большей части клеточного АТФ.

22.

Два способа синтеза АТФ
АДФ + Н3РО4 = АТФ
1. Окислительное фосфорилирование
2. Субстратное фосфорилирование
1 способ основной
Основным способом получения АТФ в клетке
является окислительное фосфорилирование,
протекающее в структурах внутренней мембраны
митохондрий. При этом энергия атомов
водорода молекул НАДН и ФАДН2, образованных в
гликолизе, ЦТК, окислении жирных кислот,
преобразуется в энергию связей АТФ.

23.

2 способ
АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование.
Этот способ связан с передачей макроэргического
фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо
вещества (субстрата) на АДФ.
К таким веществам относятся метаболиты
- гликолиза
(1,3-дифосфоглицериновая кислота,
фосфоенолпируват),
- цикла трикарбоновых кислот
(сукцинил-SКоА) и креатинфосфат.
Энергия гидролиза их макроэргической связи выше,
чем 7,3 ккал/моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к
использованию этой энергии для фосфорилирования
молекулы АДФ до АТФ.
Иными словами во втором способе происходит синтез АТФ без
участия митохондрий (митохондриальной цепи окисления),
без участия кислорода.

24.

Свободная энергия гидролиза некоторых органических
фосфатов

25.

Карта
основных
путей
метаболизма