ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Под обменом веществ (метаболизмом) понимают строго упоря­доченную систему биохимических и физиологических процессов, которые обеспечивают поступление питательных и других веществ в организм, их усвоение, превращение внутри клеток, а также выведение образовавшихся продуктов обмена во внешнюю среду. Обмен веществ обеспечивает процессы роста и размножения, са­мообновление всех клеточных структур, энергообеспечение, постоянство внутренней среды, приспособление к факторам среды. Поэтому при прекращении обмена веществ нарушается или прекращается жизнедеятельность организма.

В обмене веществ выделяют два взаимосвязанных, но разно­направленных процесса —катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (диссимиляция) — это процессы распада в клетках организма сложных веществ до более простых или до низкомоле­кулярных конечных продуктов распада (СО₂, Н₂О, NH₃ и мн. др.) и выведения последних из организма. Катаболические реакции со­провождаются выделением свободной энергии, которая заключе­на в сложных молекулах органических веществ. Часть этой энер­гии превращается в химическую форму энергии (АТФ, НАДН^.Н⁺ и др.) и запасается в клетках организма. Большая часть энергии рас­сеивается в виде тепла.

Анаболизм (ассимиляция) — это процессы синтеза сложных хи­мических веществ из простых молекул. В процессе анаболизма об­разуются нуклеиновые кислоты, белки и другие макромолекулы организма. К ним относятся реакции распада питательных веществ при пищеварении, так как они обеспечива­ют поступление в клетки строительного материала (молекул-предшественников) и энергии, которые необходимы для процессов анаболизма. Ана­болические реакции протекают с использованием химической энергии в виде АТФ или НАДН^.Н⁺.

Анаболизм и катаболизм — разнонаправленные процессы, про­текающие независимо друг от друга. Однако они тесно взаимосвя­заны между собой. Катаболические процессы поставляют метабо­литы и энергию для процессов анаболизма. Анаболические реакции накапливают (запасают) сложные питательные вещества и энергию, что создает возможность дальнейших реакций катаболизма.

Организм человека и животных получает энергию из внешней среды с рас­тительной и животной пищей. Первичным же источником энергии для всех живых организмов является энергия Солнца. Солнечная энергия накапливается зеле­ными растениями в органических веществах в процессе их фото­синтеза.

Зеленый пигмент растений хлорофилл способен аккумулиро­вать кванты энергии солнечного света (hv) при синтезе органи­ческих веществ из углекислого газа и воды: _{hv + хлорофилл}

6СО₂ + 6Н₂О ¾¾¾¾¾® C₆H₁₂O₆ + 6O₂­.

В организме животных энергия химических связей органических веществ извлекается только в процессе их катаболического распада и окисления. При этом высвобождается свободная энергия.

Распад питательных веществ и высвобождение из них свобод­ной энергии происходит постепенно в несколько этапов. Под сво­бодной энергией понимают ту часть химической энергии пита­тельных веществ, которая в организме может использоваться для выполнения полезной работы при постоянной температуре и по­стоянном давлении.

Свободная энергия в клетках не может использоваться непо­средственно в процессах жизнедеятельности. Она в большей сте­пени аккумулируется в химических связях высокоэнергетических (макроэргических) соединений, в основном в молекулах АТФ. Только энергия макроэргических соединений может использовать­ся клетками для обеспечения многих ее функций. Эта энергия спо­собна превращаться в другие формы энергии.

Изменение свободной энергии (DG) в биохимии принято вы­ражать в джоулях (Дж) на 1 моль вещества.

Таким образом, аккумуляторами и носителями свободной энер­гии в клетках организма являются высокоэнергетические соеди­нения. В центре энергетического обмена клетки находятся адениннуклеотиды — АТФ и АДФ.

К высокоэнергетическим относят вещества, имеющие химиче­ские связи, при гидролизе которых выделяется более 21 кДж/моль свободной энергии. Такие химические связи, как и сами веще­ства, еще называют макроэргическими и обозначаются значком «~» (тильда).

Как правило, макроэргическими являются фосфорорганические соединения. Кроме АТФ к ним относятся также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацил-SКоА), фосфоенолпируват, 1,3-дифосфоглицерат и некоторые другие (рисунок 4.1).

Высвобождаемая при их гидролизе свободная энергия используется для переноса фосфата (~РО₃^2-) на молекулу дру­гого вещества, свободная энергия которого ниже. Реакция присо­единения фосфата называется фосфорилированием.

Одной из центральных проблем биоэнергетики биохимических процессов является биосинтез АТФ путем фосфорилирования АДФ.

Фосфорилирование АДФ является эндергоническим процессом и требует источника энергии.

Зеленые растения и некоторые микроорганизмы способны трансформировать энергию солнечного света в химическую энергию, которая расходуется на фосфорилирование АДФ в световой фазе фотосинтеза. Этот процесс получил название фотосинтетического фосфорилирования.

Рисунок 4.1 - Примеры макроэргических соединений

Трансформация энергии окисления органических молекул в связи АТФ в аэробных условиях происходит преимущественно путем окислительного фосфорилирования. При этом свободная энергия, необходимая для фосфорилирования генерируется в дыхательной цепи митохондрий.

Для субстратного фосфорилирования, в отличие от окислительного, донором активной фосфатной группировки, необходимой для регенерации АТФ из АДФ, служат интермедиаты процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Несмотря на множество путей получения АТФ клеткой, она быстро расходуется, так как легко отдает свой высокоэнергетический фосфат другим веществам, т.е. выступает в качестве донора фосфатных групп. Прак­тически все реакции энергетического обмена в клетках организма протекают посредством образования и распада молекул АТФ.

В клетках организма химическая форма энергии АТФ преобра­зуется в другие формы энергии: кинетическую (механическую), электрическую, осмотическую, тепловую (рисунок 4.2).

Выделяемая в реакциях биологического окисления энергия может рассеиваться в виде теплоты или улавливаться в процессе синтеза макроэргических соединений. Поэтому выделяют свобод­ное и сопряженное окисление.

Свободное окисление не связано с переходом энергии биологи­ческого окисления в энергию макроэргических соединений. Вы­деляющаяся энергия рассеивается в виде теплоты. Этот вид энер­гообразования в клетках важен для теплорегуляции и детоксикации вредных продуктов обмена веществ (микросомальное окисление).

Сопряженное окисление связано с переходом свободной энер­гии, выделяющейся в процессе биологического окисления, в до­ступную для использования форму энергии — макроэргические связи АТФ или другие виды энергии, например, ионный гради­ент.

DmН⁺ - протонный электрохимический потенциал, ФФн - пирофосфат

Рисунок 4.2 - Взаимозаменяемость различных видов энергии при

выполнении клеточной работы (по Скулачеву В.В.)

Различают такие виды сопряженного окисления, как окисли­тельное фосфорилирование на уровне субстрата и окислительное фосфорилирование на уровне дыхательной цепи ферментов.

В первом случае (на уровне субстрата) синтез АТФ идет за счет переноса высокоэнергетического фосфата (~РО₃^2-) от окисляемо­го субстрата к АДФ. Такое фосфорилирование происходит в ос­новном в мышцах в процессе гликолиза.

Во втором случае (на уровне дыхательной цепи ферментов) синтез АТФ идет за счет энергии, которая выделяется при пере­носе электронов по дыхательной цепи ферментов, локализован­ных в митохондриях, от окисляемых питательных веществ к ато­марному кислороду в процессе дыхания. Этот процесс не связан непосредственно с синтезом АТФ и вначале использу­ется для образования протонного потенциала на мембране, который в дальнейшем приводит к синтезу АТФ. Энергия протонного потенциала может затрачиваться и на другие виды работы, поэтому образование АТФ не является единствен­ным и обязательным следствием окисления.

В митохондриях образуется до 90 % АТФ, необходимой для жиз­недеятельности организма. Такая специфическая функция этих органелл клетки связана с особенностями их строения.

Митохондрии – внутриклеточные органеллы, выполняющие важнейшую роль обеспечения клетки достаточным количеством энергии макросвязей аденозинтрифосфата (АТФ) и метаболитами, а также процессов жизнедеятельности всего организма. В зависимости от функций тех или иных клеток количество митохондрий в них может варьировать от одной (в виде митохондриального синцития в мышечной клетке – хондриом) до 100 и выше.

Основные функции митохондрий сводятся к следующим:

– синтез АТФ, энергообеспечение клетки;

– осуществление комплекса реакций энергетического обмена и регуляции интенсивности этих процессов;

– образование в митохондриях различных субстратов (ацетилКоА, дикарбоновых и трикарбоновых кислот), необходимых для процессов синтеза липидов, гема и др.;

– интегрирование всех метаболических процессов на пути биологического окисления в митохондриях;

– хранение генетической информации, наличие собственного генома митохондрий.

I – общая схема строения, II – схема строения кристы; 1-наружняя мембрана, 2-внутренняя мембрана, 3-кристы, 4-матрикс, 5-складка внутренней мембраны, 6-Н+-АТФ-синтетаза Рисунок 4.3 - Схема строения митохондрии (Билич Г.Л. и др., 1999)

В световом микроскопе митохондрии видны в виде округлых, удлиненных или палочкообразных структур длинной 0,3 – 5,0 и шириной 0,2 – 1,0 мкм. Основная их структурная особенность – это наличие двух мембран – внешней (70 Å) и внутренней (50 – 55 Å) (рисунок 4.3). Отличительным признаком внешней мембраны является относительно высокое содержание холестерола и фосфолипидов.

Внутренняя мембрана митохондрий регулирует перенос мета­болитов в матрикс и выход из него таких веществ, как АТФ, АДФ, отдельных аминокислот, жирных кислот, ионов Са²⁺ и др. Эта мембрана практически непроницаема даже для многих малых мо­лекул, так как на ней создается электрохимический градиент про­тонов Н⁺.

Наружная мембрана не имеет складок и перегибов в отличие от внутренней мембраны, которая для увеличения площади своей поверхности образует большое число внутренних складок-крист (рисунок 4.3). Около 25 % общего белка внутренней мембраны составляют ферменты, участвующие в функционировании системы переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Оставшаяся часть белков вместе с липидами принимает участие в поддержании структуры митохондриальной мембраны. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом – студнеобразной полужидкой массой, состоящей на 50 % из белка.

Со стороны матрикса к поверхности крист прикреплено множество электроноплотных субмитохондриальных элементарных частиц (до 4000 на 1 мкм² мембраны). Каждая из них имеет форму гриба (рисунок 4.3). Круглая головка диаметром 9 – 10 нм посредством тонкой ножки диаметром 3 – 4 нм прикрепляется к внутренней мембране. В этих частицах сосредоточены АТФазы – ферменты, непосредственно обеспечивающие синтез и распад АТФ. Эти процессы непосредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот.

В матриксе находятся ферменты окисления пирувата и жирных кислот, а также в высокой концентрации — растворимые фер­менты цикла Кребса. Здесь же содержатся АТФ, HS-КоА, НАД⁺ и все вещества, обеспечивающие митохондриальный синтез белка.

В толще внутренней мембраны на разном удалении от ее поверхности асимметрично в виде связанных друг с другом белково-ферментных комплексов I, II, III, IV и V располагаются ферменты, которые с помощью FeS-белковых центров участвуют в функционировании систем переноса электронов и процессах окислительного фосфорилирования.

В состав дыхательной цепи входят три основных ферментных комплекса, осуществляющих постепенную передачу электронов от НАДН к атомарному кислороду (рисунок 4.4). Переносчики распо­лагаются в дыхательной цепи в определенной последовательно­сти, взаимосвязанной с их окислительно-восстановительным по­тенциалом.

Рисунок 4.4 - Последовательность расположения переносчиков