Энергетический обмен

1.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Что необходимо знать:
1. Специфический и общий путь катаболизма
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата
3. Цитратный цикл (ЦТК, цикл Кребса)
4. Связь общего пути катаболизма и митохондриальной ЦПЭ
5. Регуляция общего пути катаболизма
6. Биологическая роль общего пути катаболизма

2.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Ключевые термины
Метаболизм – совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и осуществляющихся
посредством серии последовательных катализируемых ферментами реакций, называемых метаболическими путями
Метаболит – промежуточный продукт метаболизма
Катаболизм объединяет процессы деградации, при которых пищевые молекулы (белки, жиры и углеводы) превращаются в низкомолекулярные
продукты (H2O, CO2, H3N).
Процесс сопровождается высвобождением энергии в виде тепла и ее запасанием в виде АТР, NADH, NADPH и FADH2
Анаболизм (биосинтез) включает процессы, при которых из простых предшественников синтезируются более
крупные (сложные) молекулы (липиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты).
Процесс протекает с потреблением энергии, получаемой при разрыве фосфатных связей АТР
и окислении NADH, NADPH и FADH2
Цикл Трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса) - это совокупность 8 последовательных химических реакций, в ходе которых происходит
распад ацетил-СoA до 2-х молекул CO2 и образование доноров водорода для ЦПЭ (NADH и FADH2)

3.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
МЕТАБОЛИЗМ
Анаболизм
Катаболизм
Аэробный
(синтез сложных веществ из более
простых с затратой энергии)
(распад сложных веществ до более
простых с выделением энергии)
(при участии О2)
дает организму
~95% всей энергии
Анаэробный
(без участия О2)
I этап: Специфические (частные) пути катаболизма
В ходе них образуется одно из 2-х веществ:
– пируват (гликолиз, катаболизм некоторых аминокислот)
– ацетил-СoA ( -окисление жирных кислот, катаболизм некоторых аминокислот)
II этап: Общий путь катаболизма (ОПК)
Включает 2 стадии:
1) окислительное декарбоксилирование пирувата
2) ЦТК (цикл Кребса)
Катаболизм основных пищевых веществ
Жиры
Жирные
кислоты
Глицерол
2
1
Полисахариды
Белки
Моносахариды
Аминокислоты
3
4
Пируват
5
6
Ацетил-KoA
Цикл
Кребса
7
III этап: Цепь переноса электронов (ЦПЭ, дыхательная цепь)
происходит окисление NADH и FADH2, сопряженное фосфорилированием АДФ
с образованием АТФ (окислительное фосфорилирование)
CO2 и H2O
1-5 – специфические пути катаболизма
6-7 – общий путь катаболизма

4.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Что включает в себя обмен веществ?
П
И
Щ
Е
В
Ы
Е
П
Р
О
Д
У
К
Т
Ы
ЭТАНОЛ
O
(CnHm)CH3
ЛИПИДЫ
жиры
масла
HO
n = 2-20
Жирные
кислоты
(60-150 г/сутки)
фосфолипиды
H2 C
OH
HC
OH
H2 C
OH
Каротиноидные
пигменты
(употребление
не рекомендуется )
Витамин К
H5C2OH
Каучук
O
β-окисление
H3C
H
Ацетальдегид
Глицерол
УГЛЕВОДЫ
крахмал
H3C
O
(250-600 г/сутки)
Гликолиз
OH
Глюкоза
гликоген
сахароза
OH
C
O
C
OH
Пируват
БЕЛКИ
H2N
CH
(60-120 г/сутки)
R
H3N
Фумарат
Аминокислоты
Фенилаланин
Лейцин
Изозолейцин
Оксалоацетат
СО2
Жирные
кислоты
цис-Аконитат
ЦТК
(цикл Кребса)
Сукцинат
Фосфолипиды
Жиры
масла
Витамин Д3
Изоцитрат
Кетоглутарат
Сукцинил-СоА
Конвергентный катаболический путь
Эфиры
холестерола
Цитрат
Малат
OH
Холестерол
Ацетоацетил-СоА
Ацетил-СоА
Катаболизм
аминокислот
Аланин
Серин
C
SCoA
(моносахариды)
O
H3C
ПДК
Стероидные
гормоны
Желчные
кислоты
Мевалонат
O
O
OH
HO
HO
Изопентенилпирофосфат
C
NADH
FADH2
Эйкозаноиды
Дивергентный анаболический путь
ГТФ
Н2О
Дыхательная цепь
(цепь переноса электронов)
АТФ !
ТЕПЛО
Источник энергии для ферментов
Источник фосфатных групп
Медиатор в пуринергической передаче
Аллостерический регулятор
Нуклеотид для синтеза РНК и ДНК
Участник мышечного сокращения
Источник энергии для транспортных белков

5.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Общий путь катаболизма (стадия 1)
окислительное декарбоксилирование пирувата
Окислительное декарбоксилирование пирувата – первая стадия ОПК, при которой пируват на внутренней части
внутренней мембраны митохондрии превращается в ацетил-СоА при участии мультиферментного
пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК, пируватдегидрогеназа)
Общее уравнение окисления пирувата:
O
H3C
C
Пируватдегидрогеназный
комплекс
O
+
C
OH
Пируват
NAD+
+
HSCoA
O
H3C
C
+
CO2
+ NADH + H+
SCoA
Коэнзим А
Никотинамид(производное
АденинАцетил-СоА
витамина В5)
Динуклеотид
(окисленная форма)
(производное
витамина РР)
В реакции происходит упрощение трехуглеродного скелета пирувата на один атом углерода

6.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Общий путь катаболизма (стадия 1)
окислительное декарбоксилирование пирувата
Строение пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК)
Название фермента ПДК
Обозначение
Кофактор
Функция
предшественник
Пируватдекарбоксилаза
Е1
Тиаминдифосфат (TDP)*
витамин В1
Декарбоксилирование
пирувата до
двухуглеродного
фрагмента
Липоевая кислота*
Дигидролипоилтрансацетилаза
3D-модель ПДК
Е2
витамин N
Коэнзим А (HSCoA)
пантотеновая кислота, В5
E1
E2
E3
FAD*
Дигидролипоилдегидрогеназа
ФАД
ТДФ
S S
Липоамид
Синтез ацетил-СоА
Схематическое изображение ПДК
Е3
рибофлавин, В2
NAD+
ниацин, витамин РР
Регенерация фермента
Е2
* выделены простетические группы

7.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Превращение пирувата в ацетил-СoA происходит в 5 стадий:
1. В ходе действия пируватдекарбоксилазы (E1) пируват присоединяется к ТДФ.
От пирувата отщепляется COOH-группа в виде CO2, а оксиэтильная группа
остается связанной с ТДФ.
2. Оксиэтильный остаток, связанный с ТДФ, окисляется.
За счет этого восстанавливается S – S связь ЛК, а продукт окисления оксиэтила –
ацетильный остаток переносится на дигидролипоат = образуется ацетиллипоат.
Присоединение к липоевой кислоте ацетильного остатка повышает сродство E2 к HSСoA.
3. Фермент E2 переносит ацетильную группу на
HS-KoA с образованием ацетил-СoA и восстановленной формы ЛК (дигидролипоата).
4. При участии следующего фермента ПДК – E3 – происходит дегидрирование
дигидролипоата при участии FAD (простетической группы E3).
При этом происходит регенерация окисленной формы ЛК, способной участвовать в
окислении следующей молекулы пирувата.
5. Полученный FADH2 дегидрируется с помощью NAD+ и образованием NADH + H+.
Основной продукт реакции окислительного декарбоксилирования пирувата –
ацетил-СoA поступает в цикл Кребса.
Образующийся в ходе реакции NADH + H+ вступает в ЦПЭ и способствует синтезу 3
моль АТФ в расчете на 1 моль пирувата путем окислительного фосфорилирования
(P/O 3).

8.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Пируват
Межмембранное пространство митохондрии
Н+
внутренняя мембрана митохондрии
Н+
Пируват
H3C
N
*
Тиаминдифосфат
E1
H3C
N
N
H2N
O
C
O
C
E2
E3
H3C
ФАД
Липоамид
* S
C
H
CH3
S
S
N
H3C
H2N
N
регенерация Е3
N
N
H3C
H2N
N
C
H
E1
S
E2
ФАД
Липоамид
S
CH3
E3
S
N
H3C
H2N
N
E1
E2
C
C CH
3
HO
S
S
М
А
Т
Р
И
К
С
E3
ФАД
Липоамид
S
H+
C
H3C
SCoA
Ацетилкоэнзим-А
ФАДH2
Липоамид
S
регенерация Е2
E3
*
Тиаминдифосфат
N
S
O
*
Тиаминдифосфат
E2
H3C
NADH + H+
(в ЦПЭ)
NAD+
H3C
E1
C
O
CH3
C
C
O
OH
O
Пируват
-CO 2
*
Тиаминдифосфат
N
N
H2N
N
*
Тиаминдифосфат
E1
H3C
N
C
H
S
H3C
E2
E3
Липоамид
SH
SH
ФАД
HSCoA
Коэнзим А
N
*
Тиаминдифосфат
N
H3C
H2N
N
C
H
E1
S
E2
N
H3C
H2N
N
E1
S
E3
Липоамид
S
O C
CH3
*
Тиаминдифосфат
C
HC CH3
OH
S
H3C
N
SH
ФАД
регенерация Е1
E2
Липоамид
S
S
E3
ФАД
М
И
Т
О
Х
О
Н
Д
Р
И
И

9.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Что может нарушить функционирование ПДК?
Мутации генов,
кодирующих субъединицы ПДК
Следствие – болезнь Ли
Гиповитаминоз
витамина В1 (тиамина)
употребление очищенного риса
Следствие – болезнь бери-бери
Патоморфология: Изменения локализуются в периферических нервах и характеризуются
развитием в них дегенеративных явлений типа паренхиматозного неврита
Клиника: При острых формах симптомы поражения периферических нервов появляются
в течение 24-48 ч: боль по ходу нервных стволов, парестезии и слабость дистальных
отделов конечностей, нарушение чувствительности в виде «носков» и «перчаток», вялые
парезы и параличи кистей и стоп
Лечение: Назначается 5 % раствор тиамина хлорида внутримышечно 2-3 раза в день
по 2-5 мл, анальгин, амидопирин, 1 % раствор никотиновой кислоты (125-150 мл на курс),
0,05 % раствор прозерина по 1 мл подкожно (20-25 инъекций),
физиотерапия (токи Бернара, ультрафиолетовое облучение, солёно-хвойные ванны,
массаж, лечебная физкультура), витаминизированная диета
Профилактика: санитарно-просветительная работа о вреде алкоголя и лечение алкоголизма.
Прием витаминных комплексов или употребление пищи, содержащей витамин B1
Злоупотребление
алкоголем
употребление не содержащих витаминов
«пустых» калорий из спирта

10.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса)
Пируват
Н+
NAD+
Н+
Пируват
CO2
O
H3 C
C
ПДК
O
C
Аконитаза
COO
C
COO
H2C
COO
цис-Аконитат
NADH + H+
(в ЦПЭ)
OH
HO
H2O
COO
HC
COO
H2C
COO
НАДН
АДФ
Са2+
COO
C
COO
H2C
COO
COO
CH2
H2C
COO
HSCoA
Кетоглутарат
Сукцинил-CоА
АТФ
НАДН
Са2+
NADH + H+
(в ЦПЭ)
NADH + H+
(в ЦПЭ)
Dichapetalum
cymosum
Цитрат
C
O
H2O
H2C
O
CO2
Изоцитратдегидрогеназа
Изоцитрат
FCH2COOH
HO
H 3C
HC
Аконитаза
H
C
CO2
Цитратсинтаза
C
SCoA
Ацетил-СоА
HSCoA
α-Кетоглутаратдегидрогеназный
комплекс
O
C
SCoA
CH2
H2C
Цитрат
НАДН
АТФ
Сукцинил-КоА
Оксалоацетат
H2O
NAD+
COO
Сукцинил-КоА
ГТФ
Сукцинаттиокиназа
(субстратное
фосфорилирование)
O
В ЦТК образуются:
2 СО2
1 ГТФ
1 АТФ
3 (NADH + H+)
1 FADH2
C
COO
H2C
COO
HSCoA
NADH + H+
(в ЦПЭ)
Оксалоацетат
Малатдегидрогеназа
H2O
HO
CH
OOC
H2C
Малат
COO
Фумараза
HHC
COO
Сукцинат
COO
COO
COO
CH
HC
NAD+
HHC
ГДФ
H 3PO 4
Фумарат
Сукцинатдегидрогеназа
ФАД-ФАДН2
(комплек II
ЦПЭ)
Матрикс
митохондрии

11.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Энергетический эффект ОПК
Пируват
ПДК
в ЦПЭ
СО2
1 NADH +
H+
(окислительное
фосфорилирование)
3 АТФ
Ацетил-СоА
в ЦПЭ
3 NADH +
2 СО2
ЦТК
H+
1 FADH2
1 ГТФ
в ЦПЭ
Нуклеозиддифосфаткиназа
(субстратное
фосфорилирование)
Субстратное фосфорилирование – это способ
синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата
с использованием энергии макроэргической
связи субстрата
15 АТФ
9 АТФ
2 АТФ
(окислительное
фосфорилирование)
12 АТФ
1 АТФ
ОПК может функционировать только в аэробных условиях,
поскольку реакции дегидрирования сопряжены с работой ЦПЭ и
синтезом АТФ путем окислительного фосфорилирования
При торможении ЦПЭ также будет замедляться и скорость ОПК

12.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Регуляция ОПК
Выделяют 4 типа регуляции ОПК:
1. Регуляция «энергетическим зарядом» клетки (соотношение АТФ/АДФ и NADH+H+ / NAD+)
Если в клетке концентрация АТФ и NADH+H+ – высокая (высокий «энергетический заряд» клетки), значит клетка мало
расходует энергию и = замедляются процессы, приводящие к получению АТФ (ОПК и ЦПЭ)
Если в клетке концентрация АТФ и NADH+H+ – низкая (низкий «энергетический заряд» клетки), значит клетка интенсивно
расходует энергию и = ускоряются процессы, приводящие к получению АТФ (ОПК и ЦПЭ)
АТФ и NADH – ингибируют ОПК, а АДФ, АМФ и NAD+ – активируют ОПК
2. Регуляция метаболитами
3. Белок-белковые взаимодействия
активация регуляторных ферментов ОПК комплексом кальмодулин ∙ 4Ca2+
4. Фосфорилирование / дефосфорилирование (характерно для ПДК)

13.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Регуляторные ферменты ОПК
Фермент
Активаторы
Ингибиторы
ПДК (1)
NAD+
АДФ
HSСoA
Пируват
Ca2+
NADH+H+
АТФ
Ацетил-СoA
Цитратсинтаза (2)
Оксалоацетат
NADH+H
АТФ
Цитрат
Сукцинил-СoA
Жирные к-ты
Изоцитратдегидрогеназа (3)
АДФ
АМФ
Ca2+
-Кетоглутаратдегидрогеназный
комплекс (4)
Ca2+
NADH+H+
АТФ
NADH+H+
АТФ
Сукцинил-СoA

14.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Дополнительный механизм регуляции ПДК
(фосфорилирование-дефосфорилирование)
Регуляция ПДК
АДФ
Киназа ПДК
АТФ
Ацетил-КоА, НАДН
Пируват, АДФ
H2O3PO
ПДК-ОРО3Н2
неактивная
ОH
ПДК-ОН
активная
Пируват, НАД+, HSKoA
Ацетил-КоА, НАДН
Фосфатаза
Инсулин, Ca2+
H2O
H3PO4
В состав ПДК, кроме основных ферментов E1, E2 и E3 входит 2 регуляторные субъединицы:
киназа ПДК (фосфорилирует фермент E1) и фосфатаза ПДК (дефосфорилирует фермент E1)
Киназа ПДК – аллостерический фермент:
– Активаторы: NADH + H+, АТФ, Ацетил-KoA
– Ингибиторы: NAD+, HS-KoA, Пируват, АДФ
Фосфатаза ПДК активируется инсулином и ионами Ca2+
Фермент E1 активен в дефосфорилированной форме (ингибиторы киназы ПДК – это косвенные активаторы ПДК,
а активаторы киназы ПДК – косвенные ингибиторы ПДК)

15.

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Цикл Кребса – амфиболический путь
(задействован как в процессах катаболизма, так и анаболизма)
Пиримидины
Жирные кислоты
Стерины
Аспарагин
Аспартат
Глюкоза
HO
O
C
COO
H2C
COO
Фосфоенолпируват
Аминокислоты
(серин, глицин)
CH3
Пируваткарбоксилаза (Co: Биотин)
C O + CO2
COOH
Пируват
CH
Маликфермент
COOH
АТФ
H3PO4
COOH
АДФ Оксалоацетат
Главный путь пополнения
COO
H2C
COO
Аргинин
Пролин
Глутамин
O
ЦТК
Малат
COO
Глутамат
H2C
COO
Кетоглутарат
COO
COO
C
CH2
O
C
Пурины
SCoA
CH2
H2C
COO
Сукцинил-КоА
CH2
C O
H2O
C
HO
H2C
Пируват
COO
Цитрат
Оксалоацетат
Пируваткарбоксилаза
H2C
Порфирины
Гем
Анаболические реакции ЦТК
Анаплеротические реакции ЦТК
(восполняют израсходованные
метаболиты цикла)