Тема 14. Пути ресинтеза АТФ

План:

1. Анаэробный гликолиз. Ресинтез АТФ в процессе гликолиза. Факторы, влияющие на протекание гликолиза.

2. Аэробный путь ресинтеза АТФ. Особенности регуляции.

3. Ресинтез АТФ в цикле Кребса.

4. Молочная кислота, ее роль в организме, пути ее устранения.

5. Биологическое окисление. Синтез АТФ при переносе электронов по цепи дыхательных ферментов.

1-й вопрос

Распад глюкозы возможен двумя путями. Один из них заключается в распаде шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные. Этот путь называется дихотомическим распадом глюкозы. При реализации второго пути происходит потеря молекулой глюкозы одного атома углерода, что приводит к образованию пентозы; этот путь называется апотомический.

Дихотомический распад глюкозы (гликолиз) может происходить как в анаэробных, так и аэробных условиях. При распаде глюкозы в анаэробных условиях в результате процесса молочнокислого брожения образуется молочная кислота. отдельные реакции гликолиза катализируют 11 ферментов, образующих цепь, в которой продукт реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для последующего. Гликолиз условно можно разбить на два этапа. В первом происходит затарта энергии, второй – характеризуется накоплением энергии в виде молекул АТФ.

Химизм процесса представлен в теме «Распад углеводов» и заканчивается переходом ПВК в молочную кислоту.

CH3

—

C

—

COOH

+ НАД · Н2

CH3

—

CН

—

COOH

||

- НАД

|

O

ОН

Бóльшая часть молочной кислоты, образующейся в мышце, вымывается в кровеносное русло. Изменению рН крови препятствует бикарбонатная буферная система: у спортсменов буферная емкость крови повышена по сравнению с нетренированными людьми, поэтому они могут переносить более высокое содержание молочной кислоты. Далее молочная кислота транспортируется к печени и почкам, где почти полностью перерабатывается в глюкозу и гликоген. Незначительная часть молочной кислоты вновь превращается в пировиноградную кислоту, которая в аэробных условиях окисляется до конечного продукта.

2-й вопрос

Аэробный распад глюкозы иначе называется пентозофосфатным циклом. В результате протекания этого пути из 6 молекул глюкозо-6-фосфата распадается одна. Апотомический распад глюкозы можно разделить на две фазы: окислительную и анаэробную.

Окислительную фазу где глюкозо-6-фосфат превращается в рибулёзо-5- фосфат представлена в вопросе «Распад углеводов. Аэробный распад глюкозы»

Анаэробная фаза апотомического распада глюкозы.

Дальнейший обмен рибулозо-5-фосфата протекает очень сложно, имеет место превращение фосфопентоз – пентозофосфатный цикл. В результате которого из шести молекул глюкозо-6-фосфата, вступающих в аэробный путь распада углеводов одна молекула глюкозо-6-фосфата полностью расщепляется с образованием СО₂, Н₂О и 36 молекул АТФ. Именно наибольший энергетический эффект распада глюкозо-6-фосфата, по сравнению с гликолизом (2 молекулы АТФ), имеет важное значение в обеспечении энергией мозга и мышц при физических нагрузках.

3-й вопрос

Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса) занимает важное место в процессах обмена веществ: здесь идет обезвреживание ацетил-КоА (и ПВК) до конечных продуктов: углекислого газа и воды; синтезируется 12 молекул АТФ; образуется ряд промежуточных продуктов, которые используются для синтеза важных соединений. Например, щавелевоуксусная и кетоглутаровая кислоты могут образовать аспарагиновую и глутаминовую кислоты; ацетил-КоА служит исходным веществом для синтеза жирных кислот, холестерина, холевых кислот, гормонов. Цикл ди- и трикарбоновых кислот является следующим звеном основных видов обмена: обмена углеводов, белков, жиров. Подробно смотри в теме «Распад углеводов».

4-й вопрос

Увеличение количества молочной кислоты в саркоплазматическом пространстве мышц сопровождается изменением осмотического давления при этом вода из межклеточной среды поступает внутрь мышечных волокон, вызывая их набухание и регидность. Значительные изменения осмотического давления в мышцах могут быть причиной болевых ощущений.

Молочная кислота легко диффундирует через клеточные мембраны по градиенту концентрации в кровь, где вступает во взаимодействие с бикарбонатной системой, что приводит к выделению «неметаболического» избытка СО₂:

NаНСО₃ + СН₃ – СН – СООН СН₃ – СН – СООNа + Н₂О + СО₂

ОН ОН

Таким образом, увеличение кислотности, повышение СО₂, служит сигналом для дыхательного центра, при выходе молочной кислоты усиливается легочная вентиляция и поставка кислорода работающей мышцы.

5-й вопрос

Биологическое окисление – это совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах (в тканях) и обеспечивающих организм энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности. При биологическом окислении также идет разрушение вредных продуктов обмена веществ, продуктов жизнедеятельности организма.

В развитии теории биологического окисления принимали участие ученые: 1868 г. - Шёнбайн (немецкий ученый), 1897 г. - А.Н. Бах, 1912 г. В.И. Палладин, Г.Виланд. Взгляды этих ученых положены в основу современной теории биологического окисления. Её суть.

В переносе Н₂ на О₂ участвуют несколько ферментных систем (дыхательная цепь ферментов), выделяют три основных компонента: дегидрогеназы (НАД, НАДФ); флавиновые (ФАД, ФМН); цитохромы (гем Fe²⁺). В результате образуется конечный продукт биологического окисления – H₂O. В биологическом окислении участвует цепь дыхательных ферментов.

Первый акцептор Н₂ – дегидрогеназа, кофермент – либо НАД (в митохондриях), либо НАДФ (в цитоплазме).

H(H+ē)

субстрат

→

дегидрогеназы

→

флавопротеины

→

цитохромы

→

½O2

→

H2O

H(H+ē)

H(H+ē)

2ē

2ē

2ē

2ē

2ē

субстрат

→

НАД

→

ФАД

b

c

a1

a3

½O2

H2O

H(H+ē)

(НАДФ)

2ē+O → O^2-

2H⁺+O^2- → H₂O

Субстраты: лактат, цитрат, малат, сукцинат, глицерофосфат и другие метаболиты.

В зависимости от природы организма и окисляемого субстрата окисление в клетках может осуществляться главным образом по одному из 3-х путей.

1.При полном наборе дыхательных ферментов, когда идет предварительное активирование О в О^2-.

H⁺

Н (Н⁺е^-) Н⁺е^- 2е^- 2е^- 2е^- 2е^- 2е^-

S НАД ФАД b c a₁ a₃ 1/2O₂ H₂O

Н (Н⁺е^-) Н⁺е^-

H⁺

2.Без цитохромов:

Н

S НАД ФАД О₂ Н₂О₂.

Н

3.Без НАД и без цитохромов:

Н

S ФАД О₂ Н₂О₂.

Н

Учёные установили, что при переносе водорода на кислород при участии всех переносчиков образуется три молекулы АТФ. Восстановление формы НАД·H₂ и НАДФ·H₂ при переносе H₂ на O₂ дают 3 АТФ, а ФАД·H₂ даёт 2 АТФ. При биологическом окислении образуется Н₂О или Н₂О₂, она, в свою очередь, под действием каталазы распадается на Н₂О иО₂. Вода, образующаяся при биологическом окислении, расходуется на нужды клетки (реакции гидролиза) или выводится как конечный продукт из организма.

При биологическом окислении выделяется энергия, которая либо переходит в тепловую и рассеивается, либо накапливается в ~ АТФ и потом используется на все жизненные процессы.

Процесс, при котором идет накопление энергии, освободившейся при биологическом окислении, в ~ связях АТФ – окислительное фосфорилирование, то есть синтез АТФ из АДФ и Ф(н) за счет энергии окисления органических веществ:

Е

АДФ + Ф(н) АТФ + Н₂О.

В макроэргических связях АТФ накапливается 40% энергии биологического окисления.

Впервые на сопряжение биологического окисления с фосфорилированием АДФ указал В.А.Энгельгардт (1930 г.). Позднее В.А.Белицер и Е.Т. Цыбакова показали, что синтез АТФ из АДФ и Ф(н) идет в митохондриях при миграции е^- от субстрата к О₂ через цепь дыхательных ферментов. Эти ученые обнаружили, что на каждый поглощенный атом О образуется 3 молекулы АТФ, то есть в дыхательной цепи ферментов существует 3 пункта сопряжения окисления с фосфорилированием АДФ:

Н

S НАД ФАД b c a a₃ 1/2О₂ Н₂О

Н

АТФ АТФ АТФ

До конца механизм окислительного фосфорилирования пока не изучен. По этому вопросу выдвинут ряд гипотез: 1953 г., химическая (Липман, Слейтер); 1961 г., хемиоосмотическая (Митчел, английский ученый); 1964 г. механохимическая (конформационная) (Байер). Сейчас общепринята гипотеза Митчела, которая поддержана и получила развитие в работах В.П.Скулачева (1972 г.). Ферменты – переносчики дыхательной цепи сосредоточены в мембране (точнее – во внутренней мембране митохондрий).

Дегидрогеназы присоединяют к себе Н₂ от субстратов, образующихся в результате реакций цикла Кребса (при обмене углеводов, белков, жиров). При переходе на цитохромную систему осуществляется перенос е^-. При этом Н₂ выбрасываются (активный перенос) из внутримитохондриального пространства (матрикса) наружу, благодаря этому создается градиент ионов водорода – градиент рН.

Н⁺ внешняя сторона

ОН^- матрикс

Мембрана оказывается поляризованной. С наружной стороны мембраны накапливаются ионы Н⁺, а с внутренней – ионы ОН^-. Вследствие того, что по обе стороны мембраны находятся разнозаряженные частицы возникает электрохимический мембранный потенциал, который является движущей силой для синтеза АТФ.

Синтез АТФ катализируется АТФ-синтетазой, расположенной в мембране.

АТФаза

АДФ + Ф(н) АТФ + Н⁺ + ОН^-

АТФ будет синтезироваться, если образующаяся вода будет удаляться. Это достигается благодаря тому, что в силу градиента рН ионы ОН^- воды вытягиваются в наружнее пространство, а ионы Н⁺ - во внутреннее пространство митохондрий. При переносе пары е^- во внешнее пространство выбрасывается 6 протонов (Н⁺), что приводит к образованию 3-х молекул АТФ.