Тема 3. Энергетический обмен

Принципы получения энергии в живых объектах.

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции.

По способу получения энергии все живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофные организмы необходимый им углерод получают из СО2 атмосферы, из которого строят все углеродсодержащие компоненты. Источником энергии служит солнечный свет, который улавливается в процессе фотосинтеза, поглощается специальными светочувствительными белками (хлорофилл зелёных растений). К автотрофным организмам относятся: зелёные растения, сине-зелёные водоросли, зелёные и пурпурные бактерии.

Автотрофные организмы также используют различные способы получения энергии. По используемому источнику энергии автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы получают энергию для восстановления углекислого газа до органических соединений в виде света (растения и некоторые группы бактерий, прежде всего, цианобактерии). Эти организмы являются основным источником органического вещества в биосфере.

Другая группа автотрофов использует для своей жизнедеятельности энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Их называют хемотрофами. Представителями этой группы являются только бактерии. Каждый вид таких бактерий способен использовать только один источник энергии. Используемые ими вещества должны в достаточных количествах присутствовать в окружающей среде.

Открытие бактериального хемосинтеза принадлежит С.Н. Виноградскому. Он впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых организмов - серо-, железо- и нитрифицирующих бактерий и описал сущность процесса хемосинтеза.

Известны также бактерии-хемосинтетики, способные окислять метан, окись углерода, водород.

Гетеротрофные организмы получают углерод в виде сложных соединений (белков, углеводов, липидов и др.), которые содержатся в пищевых продуктах. Энергию гетеротрофы получают в экзэргонических реакциях, которые происходят в митохондриях. К гетеротрофным организмам относятся животные организмы, в том числе человек. Среди гетеротрофов есть такие, которые нуждаются лишь в одном или нескольких простых органических веществах. Например, пекарские дрожжи могут жить, получая только глюкозу и минеральные соли, а кишечная палочка — только ацетат натрия (соль уксусной кислоты). Другие гетеротрофы не могут образовывать целый ряд необходимых им органических веществ. Например, млекопитающие нуждаются в 10 незаменимых аминокислотах (фен, мет, лей, тре, три, иле, вал, лиз, арг, гис), ряде ненасыщенных жирных кислот и витаминов. В настоящее время гетеротрофы подразделяются на:

- органоавтотрофов (употребляющие органические вещества как источники энергии),

- литогетеротрофов (использующие органические вещества как источники углерода),

- органогетеротрофов (органические вещества служат для них источниками энергии и источниками углерода).

Энергетический обмен также различен у разных групп организмов. Гетеротрофные организмы получают энергию за счет окисления органических веществ, поступающих извне. Хорошим окислителем является молекулярный кислород, при кислородном окислении выделяется много энергии. Однако кислород в силу своей реакционной способности повреждает важные вещества клетки (белки, липиды, ДНК) и поэтому токсичен. По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на:

1. Анаэробы. Они способны жить в отсутствие кислорода, осуществляя реакции внутримолекулярного окисления и восстановления или используя в качестве окислителей другие вещества среды, например нитраты (так называемое нитратное дыхание).

2. Аэробы — большинство ныне живущих гетеротрофных организмов, которые осуществляют энергетический обмен, окисляя органические вещества молекулярным кислородом. В клетках таких организмов обязательно существуют системы защиты от окисления клеточных структур кислородом. Это, во-первых, ферменты, разрушающие активные формы кислорода (супероксиддисмутаза, каталаза), а во-вторых, антиоксиданты — молекулы, которые сами окисляются, нейтрализуя свободные радикалы.

Макроэргические соединения – это вещества, содержащие богатые энергией связи. Макроэргическая связь обозначается символом ~ (знак «тильда»). Понятие макроэргическая связь довольно условно и применяется для обозначения тех связей, которые гидролизуются в водной среде с выделением значительной энергии. Так, гидролиз концевой фосфоангидридной связи АТФ (АТФ + Н₂О → АДФ + Ф_н), ведет к освобождению 34,5 кДж/моль энергии). Однако, если реакция протекает в неводной среде (например, в липидном слое мембран), то образование и разрушение АТФ протекает без больших затрат энергии.

Вещества, гидролиз которых, приводит к высвобождению более 21 кДж/моль (>5ккал) энергии относят к высокоэнергетическим (макроэргам), а вещества освобождающие меньшие количества энергии - к низкоэнергетическим. К макроэргам относят: АТФ, другие трифосфаты нуклеозидов (ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ), аргининфосфат, креатинфосфат, ацетилфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват и др. К группе высокоэнергетических соединений относятся также тиоэфиры. В то время как высокоэнергетические фосфорные соединения являются, в основном, промежуточными продуктами углеводного обмена, то тиоэфиры — это промежуточные продукты обмена жирных кислот. В природе основным тиосодержащим соединением является кофермент А (HS-CoA).

К низкоэнергетическим - глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат, глицерофосфат и другие (см. таблицу). Уникальная роль АТФ состоит в том, что она имеет промежуточное значение энергии гидролиза и выполняет роль связующего звена (разменной монеты) между высоко- и низкоэнергетическими соединениями.

АТФ с точки зрения химического строения представляет собой адениловый нуклеозид, связанный с тремя остатками фосфорной кислоты. Первый из них (α-остаток) связан сложноэфирной связью с пятым углеродным атомом пентозы. Это обычная связь. Изменение свободной энергии реакции ΔG^о′ не превышает 12,5 кДж/моль, как и у большинства связей в органических соединениях. Второй фосфатный остаток (β) и третий (γ) связаны с α-остатком и друг с другом фосфоангидридными связями, у которых ΔG^о′ (при рН 7, температуре 37^о, концентрации реагентов 1М и избытке Mg²⁺) составляет (-30,6) кДж/моль (макроэргические связи).

Они легко гидролизуются с выделением энергии. В клетке никогда не происходит прямого переноса фосфатных групп от высокоэнергетического к низкоэнергетическому соединению, а также от высокоэнергетического донора фосфатной группы к высокоэнергетическому акцептору или от низкоэнергетического к низкоэнергетическому. Почти все реакции переноса фосфатных групп идут с участием АТФ ↔ АДФ. Таким образом, функция системы АТФ↔АДФ состоит именно в том, что она служит посредником–переносчиком фосфатных групп от высокоэнергетических к низкоэнергетическим фосфатам по схеме:

Фосфоенолпируват +АДФ → АТФ + пируват (фермент - пируваткиназа)

Глюкоза + АТФ → АДФ + глюкозо-6-фосфат (фермент – гексокиназа или глюкокиназа).

Процесс синтеза АТФ из АДФ называется фосфорилированием. Выделяют субстратное и окислительное фосфорилирование. При субстратном фосфорилировании для синтеза АТФ используется энергия непосредственно от окисляемого субстрата (например, отдельные реакции гликолиза). Если на синтез АТФ используется энергия, выделяемая при транспорте е^- в дыхательной (электрон-транспортной) цепи, то такое фосфорилирование называется окислительным.

В 1961-1966гг. английский биохимик Питер Митчелл создал хемиоосмотическую теорию окислительного фосфорилирования, в которой связал синтез молекул АТФ в митохондриях с транспортом протонов через мембрану митохондрий (Нобелевская премия, 1978 года). Большой вклад в развитие этой теории внесли советские ученые
В.П. Скулачев и Е. А. Либерман.

Окислительное фосфорилирование - это процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн) в процессе тканевого дыхания. Согласно хемиосмотической теории Митчела синтез АТФ осуществляется за счет электрохимического потенциала, который создается градиентом концентраций ионов водорода. Комплексы I, III и IV расположены асимметрично во внутренней мембране митохондрий (образуют, так называемых, три петли) и обеспечивают перекачивание протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство.

То есть комплексы I, III и IV, по сути, служат протонными насосами. С каждой парой электронов, которые передаются от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют в межмебранное пространство 8-10 протонов (Н⁺). Источником протонов является диссоциация эндогенной воды, а энергия необходимая для транспорта ионов Н⁺ черпается за счет движения электронов.

Согласно этой теории процесс протекает следующим образом:

1. Электрохимический эквивалент поступает в дыхательную цепь в виде восстановленного NADН+Н⁺, который передает пару электронов на комплекс I, а пару протонов в межмембранное пространство.

2. Принятие двух электронов NADН–дегидрогеназой способствует присоединению к ней двух протонов водорода из матрикса, которые выталкиваются в последующем в межмембранное пространство при передачи электронов на убихинон.

3. Убихинон, переходя в восстановленную форму за счет электронов полученных от белкового комплекса I, получает возможность присоединения из внутримитохондриального матрикса пары протонов, которые и выталкивает в межмембранное пространство. Электроны же передаются на комплекс цитохромов b-c₁.

4. Белковый комплекс III передает электроны на цитохром с, который несет их комплексу IV, функционирующему как цитохромоксидаза и имеющему большое сродство к кислороду.

5. Комплекс IV передает пару электронов на кислород, который связывается с протонами водорода матрикса с образованием воды.

Последовательный переход электронов по цепочке возможен только при наличии разности потенциалов. т.е. электродный потенциал предыдущего переносчика должен быть меньше, чем последующего. Общая разность потенциалов начиная от NAD и заканчивая О₂составляет 1,44 В, что соответствует 220 кДж энергии в пересчете на каждую пару электронов.

Однако, наиболее выражена разность потенциалов только в трех участках дыхательной цепи, а именно в местах где протоны переходят в межмембранное пространство, т.е. на участках NAD - комплекс I, комплекс I – убихинон и комплекс IV - кислород. Возможно, что энергия, выделяющаяся в этих участках, трансформируется в энергию переноса протонов и создание трансмембранного водородного потенциала.

Таким образом, в матриксе накапливаются ОН^-, а в межмембранном пространстве ионы Н⁺ - т.е. формируется трансмембранный электрохимический градиент концентрации ионов Н+. Внешняя поверхность внутренней мембраны, обращенная в межмембранное пространство, заряжается положительно (+), а внутренняя отрицательно (-). Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н+, однако, они могут проходить назад в матрикс через протонный канал (фрагмент F₀) Н+-АТФ-синтазы (см. рисунки ↓). Второй фрагмент F₁ фермента является каталитическим и осуществляет синтез АТФ.

Каталитическая часть АТФ-синтазы катализирует три последовательные стадии синтеза АТФ:

1. Связывание АДФ и неорганического фосфата.

F₁ фрагмент АТФ-синтазы функционирует как молекулярная машина и состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части - ротора. Статор закреплен в липидном слое мембраны и осуществляет синтез АТФ из АДФ и фосфата. Ротор работает как подвижный клапан протонного канала. Протонный канал ( фрагмент F₀) состоит из двух половинок (полуканалов), смещенных одна относительно другой. Структура этой машины такова, что протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, но попасть внутрь митохондрии он не может. Сваливается протон на подставленную ему аминокислоту ротора и эту аминокислоту протонирует, на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. Затем, когда протонированная аминокислота на вращающемся роторе доедет до следующей половинки канала, ведущей уже внутрь митохондрии (а внутри протонов мало и, кроме того, там протон поджидают отрицательно заряженные ионы), то протон наконец "падает" внутрь и аминокислота освобождается от положительного заряда. Заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование – депротонирование приводит к повороту машины. Таким образом, протон в два приема проваливается внутрь митохондрии, и за счет этого мотор проворачивает. Энергия и заряд протона используется для высвобождения в водную фазу молекулы АТФ, образованной в каталитической части АТФ-синтазы (считается, что образование самой АТФ не требует больших затрат энергии, поскольку происходит в липидной фазе мембраны).

!!!!Коэфициент окислительного фосфорилирования (Р/О) этот число молекул неорганического фосфата (Фн), которое перешло в органическую форму (в форму АТФ) в расчете на каждый поглощенный атом кислорода. Он равняется числу молекул АТФ, которые образуются при перенесении 2-х электронов по дыхательной цепи на один атом кислорода (максимальное значение Р/О – 3). При окисления субстратов через НАДН-КоQ-редуктазу (через I,III, IV комплексы), образуется 3 молекулы АТФ (Р/О = 3). При окислении субстратов через сукцинат-КоQ–редуктазу (II, III, IV комплексы) образуется 2 молекулы АТФ (Р/О = 2).

Уровень АТФ является главным регулятором энергетического обмена в организме. Если в клетке идут процессы с потреблением АТФ, то это автоматически приводит к повышению скорости гидролиза АТФ и накоплению АДФ, а это ведет к усилению окислительного фосфорилирования. Наоборот повышение концентрации АТФ является сигналом для уменьшения потребности клетки в АТФ и ведет к торможению окислительного фосфорилирования.

В пользу хемиоосмотической теории говорят следующие экспериментальные данные:

1. Добавление протонов в среду, в которой находятся митохондрии, приводит к образованию АТФ.

2. Окислительное фосфорилирование не происходит в системах, в которых не может существовать АТФ-синтетаза. Для протекания окислительного фосфорилирования необходимо наличие замкнутой мембранной системы.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: