13.4.1. Reakcie Krebsovho cyklu patria do tretieho štádia katabolizmu živiny a vyskytujú sa v mitochondriách bunky. Tieto reakcie patria k všeobecnej dráhe katabolizmu a sú charakteristické pre rozklad všetkých tried živín (bielkoviny, lipidy a sacharidy).

Hlavnou funkciou cyklu je oxidácia acetylového zvyšku za vzniku štyroch molekúl redukovaných koenzýmov (tri molekuly NADH a jedna molekula FADH2), ako aj tvorba molekuly GTP fosforyláciou substrátu. Atómy uhlíka acetylového zvyšku sa uvoľňujú vo forme dvoch molekúl CO2.

13.4.2. Krebsov cyklus zahŕňa 8 po sebe nasledujúcich etáp, ktoré sa obracajú Osobitná pozornosť o reakciách dehydrogenácie substrátu:

Obrázok 13.6. Reakcie Krebsovho cyklu, vrátane tvorby α-ketoglutarátu

A) kondenzácia acetyl-CoA s oxalacetátom, v dôsledku čoho vzniká citrát (obr. 13.6, reakcia 1); preto sa nazýva aj Krebsov cyklus citrátový cyklus. Pri tejto reakcii metylový uhlík acetylovej skupiny reaguje s ketoskupinou oxalacetátu; Súčasne sa štiepi tioesterová väzba. Reakcia uvoľňuje CoA-SH, ktorý sa môže zúčastniť oxidačnej dekarboxylácie ďalšej molekuly pyruvátu. Reakcia je katalyzovaná citrát syntáza Ide o regulačný enzým, ktorý je inhibovaný vysokými koncentráciami NADH, sukcinyl-CoA a citrátu.

b) konverzia citrátu na izocitrát prostredníctvom prechodnej tvorby cis-akonitátu. Citrát vytvorený v prvej reakcii cyklu obsahuje terciárnu hydroxylovú skupinu a nie je schopný oxidovať v bunkových podmienkach. Pod pôsobením enzýmu akonitáza dochádza k odštiepeniu molekuly vody (dehydratácia) a následne k jej adícii (hydratácii), ale iným spôsobom (obr. 13.6, reakcie 2-3). V dôsledku týchto premien sa hydroxylová skupina presunie do polohy priaznivej pre jej následnú oxidáciu.

V) dehydrogenácia izocitrátu nasleduje uvoľnenie molekuly CO2 (dekarboxylácia) a tvorba α-ketoglutarátu (obr. 13.6, reakcia 4). Ide o prvú redoxnú reakciu v Krebsovom cykle, ktorej výsledkom je vznik NADH. Izocitrátdehydrogenáza, ktorý katalyzuje reakciu, je regulačný enzým, ktorý je aktivovaný ADP. Nadbytok NADH inhibuje enzým.

Obrázok 13.7. Reakcie Krebsovho cyklu začínajúce α-ketoglutarátom.

G) oxidatívna dekarboxylácia α-ketoglutarátu, katalyzovaný multienzýmovým komplexom (obr. 13.7, reakcia 5), ​​je sprevádzaný uvoľňovaním CO2 a tvorbou druhej molekuly NADH. Táto reakcia je podobná reakcii pyruvátdehydrogenázy. Inhibítorom je reakčný produkt, sukcinyl-CoA.

d) fosforylácia substrátu na úrovni sukcinyl-CoA, počas ktorej sa energia uvoľnená pri hydrolýze tioesterovej väzby ukladá vo forme molekuly GTP. Na rozdiel od oxidatívnej fosforylácie tento proces prebieha bez vzniku elektrochemického potenciálu mitochondriálnej membrány (obr. 13.7, reakcia 6).

e) dehydrogenácia sukcinátu s tvorbou fumarátu a molekuly FADH2 (obr. 13.7, reakcia 7). Enzým sukcinátdehydrogenáza je pevne viazaný na vnútornú membránu mitochondrií.

a) hydratácia fumarátu, v dôsledku čoho sa v molekule reakčného produktu objaví ľahko oxidovateľná hydroxylová skupina (obr. 13.7, reakcia 8).

h) dehydrogenácia malátučo vedie k vytvoreniu oxaloacetátu a tretej molekuly NADH (obr. 13.7, reakcia 9). Oxalacetát vzniknutý pri reakcii možno opäť použiť v kondenzačnej reakcii s inou molekulou acetyl-CoA (obr. 13.6, reakcia 1). Preto je tento proces cyklický charakter.

13.4.3. V dôsledku opísaných reakcií teda acetylový zvyšok podlieha úplnej oxidácii CH3 -CO-. Počet molekúl acetyl-CoA premenených na mitochondrie za jednotku času závisí od koncentrácie oxaloacetátu. Hlavné spôsoby zvýšenia koncentrácie oxaloacetátu v mitochondriách (zodpovedajúce reakcie budú diskutované neskôr):

a) karboxylácia pyruvátu – pridanie molekuly CO2 k pyruvátu s výdajom energie ATP; b) deaminácia alebo transaminácia aspartátu - eliminácia aminoskupiny s vytvorením ketoskupiny na jej mieste.

13.4.4. Môžu sa použiť niektoré metabolity Krebsovho cyklu syntéza stavebné bloky na stavbu zložitých molekúl. Oxalacetát sa teda môže premeniť na aminokyselinu aspartát a a-ketoglutarát sa môže premeniť na aminokyselinu glutamát. Sukcinyl-CoA sa podieľa na syntéze hemu, prostetickej skupiny hemoglobínu. Reakcie Krebsovho cyklu sa teda môžu podieľať na procesoch katabolizmu aj anabolizmu, to znamená, že Krebsov cyklus vykonáva amfibolická funkcia(pozri 13.1).

Chemické reakcie prebiehajúce v bunkách sú katalyzované enzýmami. Nie je preto prekvapujúce, že väčšina metód regulácie metabolizmu je založená na dvoch hlavných procesoch: zmene koncentrácie enzýmov a ich aktivity. Tieto metódy metabolickej regulácie sú charakteristické pre všetky bunky a vykonávajú sa pomocou rôznych mechanizmov v reakcii na signály rôzneho druhu. Okrem toho majú bunky ďalšie metódy regulácie metabolizmu, ktorých rozmanitosť je vhodné zvážiť v súlade s niekoľkými úrovňami organizácie.

Regulácia na transkripčnej úrovni. Tento typ regulácie je diskutovaný v kapitole 3 s použitím niekoľkých príkladov pozitívnej a negatívnej kontroly transkripcie prokaryotického génu. Tento mechanizmus je charakteristický predovšetkým pre reguláciu množstva mRNA, ktorá určuje štruktúru enzýmov, a okrem toho - histónových proteínov, ribozomálnych a transportných proteínov. Skupina posledne menovaných, ktoré nemajú katalytickú aktivitu, sa tiež veľkou mierou podieľa na zmene rýchlosti príslušných procesov (tvorba chromozómov a ribozómov, transport látok cez membrány), a teda metabolizmu vo všeobecnosti.

Na regulácii génovej transkripcie sa podieľajú regulačné proteíny, ktorých štruktúru určujú špecifické gény (regulátory), ich komplexy s ligandy(napríklad laktóza počas indukcie transkripcie alebo tryptofán počas represie), komplexy cAMP-CAP, guanozíntetrafosfát a v niektorých prípadoch aj proteíny - produkty expresie vlastných génov. V týchto procesoch sú obzvlášť dôležité dôležité signálne molekuly, ako je cAMP a guanozíntetrafosfát. Môžeme povedať, že cAMP signalizuje bunke hlad po energii – nedostatok glukózy. V reakcii na to sa zvyšuje frekvencia transkripcie štrukturálnych génov zodpovedných za katabolizmus iných zdrojov uhlíka a energie (aktivácia katabolitných operónov, katabolitová represia, kapitola 3). Guanozíntetrafosfát (guanozín-5'-difosfát-3'-difosfát) je signál hladovania aminokyselín. Tento nukleotid sa viaže na RNA polymerázu a mení svoju afinitu k promótorom rôznych génov. V dôsledku toho sa znižuje expresia génov zodpovedných za biosyntézu sacharidov, lipidov, nukleotidov atď., a naopak rastie expresia iných génov, najmä tých, ktoré určujú procesy proteolýzy bielkovín.

Proces transkripcie sa najčastejšie reguluje zmenou frekvencie iniciačných udalostí transkripcie, no okrem toho možno regulovať rýchlosť predlžovania transkripcie a frekvenciu jej predčasného ukončenia. Udalosti predĺženia a ukončenia sú primárne ovplyvnené konformačným stavom DNA alebo samotnej mRNA (prítomnosť „stop signálov“, vlásenkových štruktúr).

Alosterická regulácia aktivity enzýmov. Tento typ regulácie je jedným z najrýchlejších a najflexibilnejších, uskutočňuje sa pomocou efektorových molekúl, ktoré interagujú s alosterickým centrom enzýmu (kapitola 6). Podliehajú alosterickej regulácii, ako je regulácia operónov. kľúčové enzýmy určité metabolické cesty. Rýchlosť celého biosyntetického alebo katabolického procesu teda závisí od jednej, alebo menej často viacerých reakcií katalyzovaných kľúčovými enzýmami.

Regulácia má osobitný význam pre procesy biosyntézy proteinogénnych aminokyselín. Keďže ich je 20 a každá je zastúpená v určitom pomere v celkovej bunkovej bielkovine v rôznych organizmoch, je potrebná veľmi presná regulácia, koordinujúca procesy syntézy jednotlivých aminokyselín. Takáto kontrola eliminuje nadprodukciu aminokyselín a ich uvoľňovanie z bunky je možné len u mikroorganizmov s narušenou reguláciou.

Príklad regulácie biosyntézy aminokyselín aspartátovej rodiny v enterobaktériách je uvedený na obr. 19.3. Štyri aminokyseliny majú spoločný prekurzor, kyselinu asparágovú. Jeho premena na aspartylfosfát v baktériách E. coli je katalyzovaná tromi izoenzýmovými formami aspartokinázy, z ktorých každá je potlačená a/alebo inhibovaná rôznymi konečnými produktmi tejto rozvetvenej metabolickej dráhy. Syntéza homoseríndehydrogenázy je regulovaná podobným spôsobom.

Pozoruhodná je existencia mechanizmu spätná väzba, ktorá spočíva v tom, že konečné produkty metabolických procesov regulujú úroveň syntézy a/alebo aktivity enzýmov, ktoré katalyzujú prvé štádiá tvorby týchto metabolitov.

Alosterické efektory môžu byť rôzne látky: substráty a konečné produkty metabolických dráh, niekedy intermediárne metabolity; pri katabolických procesoch - nukleoziddifosfáty a nukleozidtrifosfáty, ako aj nosiče redukčných ekvivalentov; v kaskádových reakciách - cAMP a cGMP, ktoré regulujú aktivitu enzýmov (napríklad proteínkináz) zapojených do kovalentnej modifikácie proteínov; kovové ióny a mnohé ďalšie zlúčeniny. Príklady alosterickej regulácie enzýmov sú uvedené v kapitole 6 a iných častiach.

Kovalentná modifikácia enzýmov. Tento typ regulácie enzýmovej aktivity sa inak nazýva enzýmová interkonverzia, pretože podstata tento proces spočíva v premene aktívnych foriem enzýmov na neaktívne a naopak. Vlastnosti a príklady kovalentnej modifikácie sú opísané v kapitole 6. Tieto procesy sú pod rôznymi kontrolami, vrátane hormonálnych. Klasickým príkladom interkonverzie enzýmov je regulácia metabolizmu glykogénu v pečeni.

Rýchlosť syntézy tohto rezervného polysacharidu je riadená glykogénsyntázou a jeho rozklad je katalyzovaný glykogénfosforylázou. Oba enzýmy môžu existovať v aktívnej a neaktívnej forme. Pri hladovaní alebo v stresových situáciách sa do krvi uvoľňujú hormóny – adrenalín a glukagón, ktoré sa viažu na receptory na plazmatických membránach buniek a prostredníctvom G proteínov aktivujú enzým adenylátcyklázu (katalyzujú syntézu cAMP). cAMP sa viaže na proteínkinázu A a aktivuje ju, čo vedie k fosforylácii glykogénsyntázy a jej premene na neaktívnu formu. Glykogén sa prestáva syntetizovať. Okrem toho proteínkináza A v priebehu kaskádových reakcií spôsobuje fosforyláciu glykogénfosforylázy, ktorá sa v dôsledku toho aktivuje a začne štiepiť glykogén. Ďalší hormón, inzulín, tiež ovplyvňuje procesy syntézy a rozkladu glykogénu. V tomto príklade slúžia hormóny ako signálne molekuly a G-proteín a cAMP slúžia ako mediátory. Interkonverzie enzýmov sa uskutočňujú počas fosforylácie-defosforylácie.

Hormonálna regulácia. Tento typ metabolickej regulácie zahŕňa účasť hormónov - signálnych látok tvorených v bunkách žliaz s vnútornou sekréciou, preto je hormonálna regulácia charakteristická len vyšších organizmov. Vplyv hormónov na proces metabolizmu glykogénu, pri ktorom je regulovaná aktivita enzýmov na úrovni kovalentnej modifikácie, je popísaný vyššie. Okrem toho hormóny môžu ovplyvniť rýchlosť transkripcie (regulácia operónu).

Zo špecializovaných buniek, kde dochádza k syntéze hormónov, sa tieto dostávajú do krvi a prenášajú sa do cieľových buniek, ktoré majú receptory schopné viazať hormóny a tým vnímať hormonálny signál. Väzba hormónu receptorom spúšťa kaskádu reakcií zahŕňajúcich mediátorové molekuly, ktoré kulminujú v bunkovej odpovedi. Lipofilné hormóny sa viažu na intracelulárny receptor (proteín) a regulujú transkripciu určité gény. Hydrofilné hormóny pôsobia na cieľové bunky väzbou na receptory na plazmatickej membráne.

Okrem hormónov majú podobný účinok aj ďalšie signálne látky: mediátory, neurotransmitery, rastové faktory. Neexistuje jasná hranica na rozlíšenie hormónov od uvedených látok. Mediátory sú signálne látky, ktoré neprodukujú endokrinné žľazy, ale rôzne typy buniek. Medzi mediátory patrí histamín a prostaglandíny, ktoré majú účinok podobný hormónom.

Neurotransmitery sa považujú za signálne látky produkované bunkami centrálneho nervového systému.

Zmena koncentrácie metabolitu . Dôležitá podmienka zabezpečenie vysoká rýchlosť určitej metabolickej dráhy je koncentrácia substrátov. Môže to závisieť od intenzity iných procesov, ktoré spotrebúvajú aj tieto substráty (konkurencia), alebo od rýchlosti transportu týchto látok cez membrány (plazma alebo organely). Najmä eukaryotické bunky majú možnosť regulovať metabolizmus redistribúciou metabolitov do jednotlivých kompartmentov.

Okrem toho je rýchlosť metabolických procesov určená koncentráciou kofaktorov. Napríklad glykolýza a cyklus TCA sú regulované dostupnosťou ADP (kapitoly 10, 11) na úrovni zmien aktivity kľúčových alosterických enzýmov.

Posttranskripčná a posttranslačná modifikácia makromolekúl. Tieto procesy sú tiež popísané v príslušných častiach (kapitola 3). Modifikácia a/alebo spracovanie primárnych RNA transkriptov prebieha rôznymi rýchlosťami, čo určuje koncentráciu zrelých molekúl RNA schopných translácie, a teda intenzitu syntézy proteínov. Na druhej strane, peptidy musia byť tiež modifikované predtým, ako sa stanú zrelým proteínom, a ak sa to týka enzýmov, potom hovoríme o o ich kovalentnej modifikácii.

V živých organizmoch, ktoré sú v neustálom kontakte a výmene s životné prostredie dochádza k neustálym chemickým zmenám, ktoré tvoria ich metabolizmus (veľa enzymatických reakcií). Rozsah a smer metabolických procesov sú veľmi rôznorodé. Príklady:

a) počet buniek E. coli v bakteriálnej kultúre sa môže zdvojnásobiť o 2/3 za 20 minút v jednoduchom médiu s glukózou a anorganickými soľami. Tieto zložky sú absorbované, ale len niektoré sú uvoľnené do prostredia rastúcou bakteriálnou bunkou a pozostáva z približne 2,5 tisíc bielkovín, 1 tisíc organických zlúčenín, rôznych nukleových kyselín v množstve 10-3 * 10 molekúl. Je zrejmé, že tieto bunky sa podieľajú na grandióznom biologickom výkone, v ktorom dodávajú veľké množstvo biomolekuly potrebné pre rast buniek. Nemenej pôsobivý je metabolizmus dospelého človeka, ktorý si približne 40 rokov udržiava rovnakú hmotnosť a zloženie tela, hoci za túto dobu skonzumuje asi 6 ton tuhej stravy a 37 850 litrov vody. Všetky látky v tele sú premenené (komplexné na jednoduché a naopak) 2/3 série sekvenčných zlúčenín, z ktorých každá sa nazýva metabolit. Každá premena je štádiom metabolizmu.

Súbor takýchto po sebe nasledujúcich štádií katalyzovaných jednotlivými enzýmami sa nazýva metabolická dráha. Metabolizmus je tvorený súhrnom obrazových metabolických dráh a ich spoločného fungovania. Toto sa uskutočňuje postupne a nie chaoticky (syntéza aminokyselín, rozklad glukózy, mastných kyselín, syntéza purínových zásad). Vieme veľmi málo, preto je mechanizmus účinku liečivých látok veľmi transparentný!!!

Celá metabolická dráha je spravidla riadená prvým – druhým štádiom metabolizmu (limitujúci faktor, enzýmy s alosterickým centrom – regulačný).

Takéto štádiá sa nazývajú kľúčové a metabolity v týchto štádiách sa nazývajú kľúčové metabolity.

Metabolity nachádzajúce sa na krížových metabolických dráhach sa nazývajú hubové metabolity.

Existujú cyklické metabolické dráhy: a) zvyčajne sa zapojí iná látka a zanikne, b) bunka si vystačí s malým množstvom metabolitov – ekonomika. Kontrolné cesty premeny základných živín

Albinizmus Endemická struma

homogénny pigment. Tyroxínová spoločnosť

melanín

Alcapturia

oxid uhličitý a voda

Regulácia metabolizmu

Každá reakcia prebieha rýchlosťou úmernou potrebám bunky („inteligentné“ bunky!). Tieto špecifické určujú reguláciu metabolizmu.

I. Regulácia rýchlosti vstupu metabolitov do bunky (transport je ovplyvnený molekulami vody a koncentračným gradientom).

a) jednoduchá difúzia (napríklad voda)

b) pasívny transport (žiadna spotreba energie, napríklad pentózy)

c) aktívny transport (nosný systém, ATP)

II. Kontrola množstva určitých enzýmov Potlačenie syntézy enzýmov konečným produktom metabolizmu. Tento jav predstavuje hrubú kontrolu metabolizmu, napríklad syntéza enzýmov, ktoré syntetizujú GIS, je potlačená v prítomnosti GIS v bakteriálnom kultivačnom médiu. Hrubá kontrola - pretože sa vykonáva počas dlhého časového obdobia, kým sa zničia hotové molekuly enzýmov. Indukcia jedného alebo viacerých enzýmov substrátmi (zvýšenie koncentrácie špecifického enzýmu). U cicavcov sa podobný jav pozoruje o niekoľko hodín alebo dní neskôr ako odpoveď na induktor.

III. Riadenie katalytickej aktivity a) kovalentná (chemická) modifikácia b) alosterická modifikácia (+/-) väzby Modulácia aktivity už prítomným enzýmom je najmä alosterická regulácia (homo-, hetero-, homoheteroenzýmy) alebo pôsobenie aktivátorov - ide o jemný regulačný mechanizmus, takže ako okamžite pôsobí v reakcii na zmeny vo vnútrobunkovom prostredí. Tieto regulačné mechanizmy sú účinné na bunkovej a subcelulárnej úrovni, na medzibunkovej a orgánovej úrovni regulácie vykonávanej hormónmi, neurotransmitermi, intracelulárnymi mediátormi a prostaglandínmi.

Metabolické cesty:

1) katabolické

2) anabolické

3) amfobolytikum (odkazuje na prvé dva)

Katabolizmus- sled enzymatických reakcií, v dôsledku ktorých dochádza k deštrukcii hlavne v dôsledku oxidačných reakcií veľkých molekúl (sacharidy, bielkoviny, lipidy, nukleových kyselín) pri tvorbe svetla (kyseliny mliečnej a octovej, oxidu uhličitého a vody) a uvoľňovaní energie obsiahnutej v kovalentných väzbách rôznych zlúčenín sa časť energie ukladá vo forme vysokoenergetických väzieb, ktoré sa následne využívajú na mechanickú prácu, transport látok, biosyntézu veľkých molekúl.

Existujú tri fázy katabolizmu:

I. etapa – Trávenie. Veľké molekuly potravy sa pod vplyvom rozkladajú na stavebné bloky tráviace enzýmy v gastrointestinálnom trakte, pričom sa uvoľní 0,5-1% energie obsiahnutej vo väzbách.

Etapa II – Zjednotenie. Veľký počet produktov vytvorených v 1. stupni dáva v 2. stupni jednoduchšie produkty, ktorých počet je malý a uvoľňuje sa asi 30 % energie. Toto štádium je cenné aj preto, že uvoľnenie energie v tomto štádiu vedie k syntéze ATP v bezkyslíkových (anaeróbnych) podmienkach, čo je dôležité pre telo v hypoxických podmienkach.

Stupeň III - Krebsov cyklus. (trikarboxylové kyseliny/kyselina citrónová). V podstate ide o proces premeny dvojuhlíkovej zlúčeniny (kyseliny octovej) na 2 móly oxidu uhličitého, ale táto cesta je veľmi zložitá, cyklická, multienzýmová, hlavný dodávateľ elektrónov do dýchacieho reťazca, a teda aj ATP. molekuly v procese oxidačnej fosforylácie. Takmer všetky enzýmy cyklu sú umiestnené vo vnútri mitochondrií, takže donory elektrónov cyklu TCA voľne darujú elektróny priamo do dýchacieho reťazca mitochondriálneho membránového systému.

Schéma cyklu trikarboxylových kyselín.

Sukcinyl CoA – obsahuje vysokoenergetickú tioesterovú väzbu, ktorá sa môže premeniť na vysokoenergetickú GTP väzbu (fosforylácia substrátu).

FAD - prenáša elektróny na CoQ dýchacieho reťazca: elektrón

alfa-ketoglutarát vodný izocitrát

alfa-ketoglutarát sukcinyl CoA CO2

Okrem všetkého je TCA cyklus zároveň 1. etapou anabolizmu.

1) rôzne enzýmové systémy.

2) lokalizácia procesov je odlišná (napríklad oxidácia mastných kyselín prebieha v mitochondriách a syntéza prebieha v cytoplazme).

3) rôzne mechanizmy alosterickej a genetickej regulácie.

4) rozdielne kvalitatívne zloženie konečných produktov anabolizmu.

5) výdaj energie počas anabolizmu a uvoľnenie počas katabolizmu

V tele existujú aj amfibolické dráhy (proces rozpadu aj proces syntézy prebiehajú súčasne). Najväčší:

a) glykolýza fosfotriózy acetyl CoA

b) TCA acetyl CoA CO2 + H2O

Rozklad bol rozobraný, ale z mnohých produktov cyklu TCA možno vytvoriť rôzne zlúčeniny:

A) kyselina oxaloctová asp, asn, glu

B) alfa-ketoglutarát glu, gln, glu

B) kyselina citrónová do cytoplazmy acetyl CoA

mastné kyseliny,

steroidy

D) sukcinyl CoA hem

DYNAMICKÁ BIOCHÉMIA

kapitolaIV.8.

Metabolizmus a energia

Metabolizmus alebo metabolizmus – súbor chemických reakcií v tele, ktoré mu dodávajú látky a energiu potrebnú pre život. V látkovej premene možno rozlíšiť dve hlavné etapy: prípravné – kedy látka prijatá alimentárnou cestou prechádza chemickými premenami, v dôsledku ktorých sa môže dostať do krvi a následne prenikať do buniek, a samotný metabolizmus, t.j. chemické premeny zlúčenín, ktoré prenikli do buniek.

Metabolická dráha - to je povaha a postupnosť chemických premien určitej látky v tele. Medziprodukty vznikajúce počas metabolického procesu sa nazývajú metabolity a poslednou zlúčeninou metabolickej dráhy je konečný produkt.

Proces rozkladu zložitých látok na jednoduchšie sa nazýva katabolizmus. Bielkoviny, tuky a sacharidy v potrave sa teda pôsobením enzýmov v tráviacom trakte rozkladajú na jednoduchšie zložky (aminokyseliny, mastné kyseliny a monosacharidy). Tým sa uvoľňuje energia. Reverzný proces, teda syntéza komplexných zlúčenín z jednoduchších, sa nazýva anabolizmus . Prichádza s výdajom energie. Z aminokyselín, mastných kyselín a monosacharidov vznikajúcich v dôsledku trávenia sa v bunkách syntetizujú nové bunkové proteíny, membránové fosfolipidy a polysacharidy.

Existuje koncept amfibolizmus keď sa jedna zlúčenina zničí, ale iná sa syntetizuje.

Metabolický cyklus je metabolická dráha, v ktorej je jeden z konečných produktov identický s jednou zo zlúčenín zahrnutých v tomto procese.

Konkrétna metabolická dráha je súbor premien jednej špecifickej zlúčeniny (sacharidy alebo bielkoviny). Všeobecná metabolická dráha je, keď sú zapojené dva alebo viac typov zlúčenín (sacharidy, lipidy a čiastočne bielkoviny sa podieľajú na energetickom metabolizme).

Metabolické substráty - zlúčeniny dodávané s potravou. Medzi nimi sú hlavné živiny(bielkoviny, sacharidy, lipidy) a minoritné, ktoré prichádzajú v malých množstvách (vitamíny, minerály).

Intenzita metabolizmu je určená potrebou bunky po určitých látkach alebo energii; regulácia sa vykonáva štyrmi spôsobmi:

1) Celková reakčná rýchlosť konkrétnej metabolickej dráhy je určená koncentráciou každého z enzýmov v tejto dráhe, hodnotou pH prostredia, intracelulárnou koncentráciou každého z medziproduktov a koncentráciou kofaktorov a koenzýmov.

2) Aktivita regulačných (alosterických) enzýmov, ktoré zvyčajne katalyzujú počiatočné štádiá metabolických dráh. Väčšina z nich je inhibovaná konečným produktom tejto dráhy a tento typ inhibície sa nazýva "spätná väzba".

3) Genetická kontrola, ktorá určuje rýchlosť syntézy konkrétneho enzýmu. Pozoruhodný príklad- objavenie sa indukovateľných enzýmov v bunke v reakcii na prísun vhodného substrátu.

4) Hormonálna regulácia. Množstvo hormónov môže aktivovať alebo inhibovať mnohé enzýmy v metabolických dráhach.

Živé organizmy sú termodynamicky nestabilné systémy. Na ich vznik a fungovanie je potrebný nepretržitý prísun energie vo forme vhodnej na mnohostranné využitie. Na získanie energie sa takmer všetky živé bytosti na planéte prispôsobili hydrolýze jednej z pyrofosfátových väzieb ATP. V tomto smere je jednou z hlavných úloh bioenergetiky živých organizmov dopĺňanie použitého ATP z ADP a AMP.

Hlavným zdrojom energie v bunke je oxidácia substrátov vzdušným kyslíkom. Tento proces prebieha tromi spôsobmi: pridaním kyslíka k atómu uhlíka, odoberaním vodíka alebo stratou elektrónu. V bunkách prebieha oxidácia vo forme postupného prenosu vodíka a elektrónov zo substrátu na kyslík. V tomto prípade hrá kyslík úlohu redukčnej zlúčeniny (oxidačného činidla). Oxidačné reakcie sa vyskytujú pri uvoľňovaní energie.Biologické reakcie sa vyznačujú relatívne malými zmenami energie. Dosahuje sa to rozdelením oxidačného procesu na množstvo medzistupňov, čo umožňuje jeho skladovanie v malých častiach vo forme vysokoenergetických zlúčenín (ATP). Redukcia atómu kyslíka pri interakcii s párom protónov a elektrónov vedie k vytvoreniu molekuly vody.

Tkanivové dýchanie

Ide o proces spotreby kyslíka bunkami telesných tkanív, ktorý sa podieľa na biologickej oxidácii. Tento typ oxidácie sa nazýva aeróbna oxidácia . Ak konečným akceptorom v reťazci prenosu vodíka nie je kyslík, ale iné látky (napríklad kyselina pyrohroznová), potom sa tento typ oxidácie nazýva anaeróbne.

To. biologická oxidácia je dehydrogenácia substrátu pomocou intermediárnych nosičov vodíka a jeho konečného akceptora.

Dýchací reťazec (enzýmy tkanivového dýchania) sú nosičmi protónov a elektrónov z oxidovaného substrátu na kyslík. Oxidačné činidlo je zlúčenina, ktorá môže prijímať elektróny. Táto schopnosť je kvantitatívne charakterizovaná redoxný potenciál v porovnaní so štandardnou vodíkovou elektródou, ktorej pH je 7,0. Čím nižší je potenciál zlúčeniny, tým silnejšie sú jej redukčné vlastnosti a naopak.

To. akákoľvek zlúčenina môže darovať elektróny iba zlúčenine s vyšším redoxným potenciálom. V dýchacom reťazci má každý nasledujúci článok vyšší potenciál ako predchádzajúci.

Dýchací reťazec pozostáva z:

1. NAD-dependentná dehydrogenáza;

2. FAD-dependentná dehydrogenáza;

3. ubichinón (Ko Q);

4. Cytochróm b, c, a + a 3.

NAD-dependentné dehydrogenázy . Obsahuje ako koenzým VYŠŠIE A NADP. Pyridínový kruh nikotínamidu je schopný prijímať elektróny a vodíkové protóny.

FAD a FMN-dependentné dehydrogenázy obsahujú fosforový ester vitamínu B2 ako koenzým ( FAD).

ubichinón (Ko Q ) odoberá vodík z flavoproteínov a mení sa na hydrochinón.

Cytochrómy - chromoproteínové proteíny schopné získavať elektróny vďaka prítomnosti porfyrínov železa ako prostetických skupín v ich zložení. Prijímajú elektrón z látky, ktorá je o niečo silnejším redukčným činidlom a prenášajú ho na silnejšie oxidačné činidlo. Atóm železa je viazaný na atóm dusíka imidazolového kruhu aminokyseliny histidínu na jednej strane roviny porfyrínového kruhu a na druhej strane na atóm síry metionínu. Potenciálna schopnosť atómu železa v cytochrómoch viazať kyslík je preto potlačená.

IN cytochróm c porfyrínová rovina je kovalentne spojená s proteínom cez dva cysteínové zvyšky a v cytochromexb A , nie je kovalentne viazaný s proteínom.

IN cytochróm a+a 3 (cytochrómoxidáza) namiesto protoporfyrínu obsahuje porfyrín A, ktorý sa líši v množstve štruktúrnych znakov. Piata koordinačná poloha železa je obsadená aminoskupinou patriacou k aminocukrovému zvyšku, ktorý je súčasťou samotného proteínu.

Na rozdiel od hemu, hemolgobínu, sa atóm železa v cytochrómoch môže reverzibilne transformovať z dvojmocného do trojmocného stavu, čo zabezpečuje transport elektrónov (podrobnejšie pozri prílohu 1 „Atómová a elektrónová štruktúra hemoproteínov“).

Mechanizmus fungovania elektrónového transportného reťazca

Vonkajšia membrána mitochondrie (obr. 4.8.1) je priepustná pre väčšinu malých molekúl a iónov, vnútorná membrána je priepustná pre takmer všetky ióny (okrem H protónov) a pre väčšinu nenabitých molekúl.

Všetky vyššie uvedené zložky dýchacieho reťazca sú uložené vo vnútornej membráne. Transport protónov a elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca je zabezpečený potenciálnym rozdielom medzi jeho zložkami. V tomto prípade každé zvýšenie potenciálu o 0,16 V uvoľní energiu dostatočnú na syntézu jednej molekuly ATP z ADP a H3PO4. Keď sa spotrebuje jedna molekula O2, vytvorí sa 3 ATP.

Procesy oxidácie a tvorby ATP z ADP a kyseliny fosforečnej t.j. Fosforylácia prebieha v mitochondriách. Vnútorná membrána tvorí mnoho záhybov - cristae. Priestor je ohraničený vnútornou membránou - matricou. Priestor medzi vnútornou a vonkajšou membránou sa nazýva intermembránový.

Takáto molekula obsahuje tri vysokoenergetické väzby. Makroergický alebo energeticky bohatá je chemická väzba, ktorá pri prerušení uvoľňuje viac ako 4 kcal/mol. Hydrolytický rozklad ATP na ADP a kyselinu fosforečnú uvoľňuje 7,3 kcal/mol. Presne rovnaké množstvo sa minie na tvorbu ATP z ADP a zvyškov kyseliny fosforečnej, a to je jeden z hlavných spôsobov ukladania energie v tele.

Počas transportu elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca sa uvoľňuje energia, ktorá sa vynakladá na pridanie zvyšku kyseliny fosforečnej k ADP za vzniku jednej molekuly ATP a jednej molekuly vody. Pri prenose jedného páru elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca sa uvoľní 21,3 kcal/mol a uloží sa vo forme troch molekúl ATP. To predstavuje asi 40 % energie uvoľnenej počas transportu elektrónov.

Tento spôsob ukladania energie v bunke sa nazýva Oxidačná fosforylácia alebo viazaná fosforylácia.

Molekulárne mechanizmy tohto procesu sú najviac vysvetlené Mitchellovou chemoosmotickou teóriou, ktorá bola predložená v roku 1961.

Mechanizmus oxidatívnej fosforylácie (Obr. 4.8.2.):

1) NAD-dependentná dehydrogenáza sa nachádza na povrchu matrice vnútornej mitochondriálnej membrány a daruje pár vodíkových elektrónov FMN-dependentnej dehydrogenáze. V tomto prípade pár protónov tiež prechádza z matrice do FMN a v dôsledku toho vzniká FMN H2. V tomto čase je do medzimembránového priestoru vytlačený pár protónov patriacich k NAD.

2) Dehydrogenáza závislá od FAD daruje pár elektrónov Co Q a vytlačí pár protónov do medzimembránového priestoru. Po prijatí elektrónov Co Q prijíma pár protónov z matrice a mení sa na Co QH 2.

3) Ko Q H2 vytlačí pár protónov do medzimembránového priestoru a pár elektrónov sa prenesie do cytochrómov a potom do kyslíka za vzniku molekuly vody.

Výsledkom je, že pri prenose páru elektrónov pozdĺž reťazca z matrice do medzimembránového priestoru sa pumpuje 6 protónov (3 páry), čo vedie k vytvoreniu rozdielu potenciálov a rozdielu pH medzi povrchmi vnútorného priestoru. membrána.

4) Rozdiel potenciálov a rozdiel pH zabezpečujú pohyb protónov cez protónový kanál späť do matrice.

5) Tento spätný pohyb protónov vedie k aktivácii ATP syntázy a syntéze ATP z ADP a kyseliny fosforečnej. Pri prenose jedného páru elektrónov (t.j. troch párov protónov) sa syntetizujú 3 molekuly ATP (obr. 4.7.3.).

Disociácia procesov dýchania a oxidačnej fosforylácie nastáva, keď protóny začnú prenikať do vnútornej membrány mitochondrií. V tomto prípade sa gradient pH vyrovná a hnacia sila fosforylácie zmizne. Chemické látky- odpojovače sa nazývajú protonofory, sú schopné prenášať protóny cez membránu. Tie obsahujú 2,4-dinitrofenol, hormóny štítnej žľazy a pod. (obr. 4.8.3.).

Výsledný ATP z matrice do cytoplazmy sa prenáša translokázovými enzýmami, zatiaľ čo v opačnom smere sa do matrice prenáša jedna molekula ADP a jedna molekula kyseliny fosforečnej. Je jasné, že narušenie transportu ADP a fosfátu inhibuje syntézu ATP.

Rýchlosť oxidatívnej fosforylácie závisí predovšetkým od obsahu ATP, čím rýchlejšie sa spotrebuje, tým viac ADP sa akumuluje, tým väčšia je potreba energie, a preto je proces oxidačnej fosforylácie aktívnejší. Regulácia rýchlosti oxidačnej fosforylácie bunkovou koncentráciou ADP sa nazýva kontrola dýchania.

ODKAZY NA KAPITOLU IV.8.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochémia pre lekára // Jekaterinburg: Uralsky Rabochiy, 1994, 384 s.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Biologická chémia. – M.: Vyššie. školy 1998, 479 s.;

3. Leninger A. Biochémia. Molekulárne základy bunkovej štruktúry a funkcií // M.: Mir, 1974, 956 s.;

4. Pustovalová L.M. Workshop o biochémii // Rostov-on-Don: Phoenix, 1999, 540 s.;

5. Stepanov V. M. Molekulárna biológia. Štruktúra a funkcie bielkovín // M.: Higher school, 1996, 335 s.;

Živá bunka je otvorený systém, ktorá si neustále vymieňa látky a energiu s vonkajším prostredím. Do bunky sa dostávajú živiny, ktoré sa využívajú ako stavebné a energetické materiály a z bunky sa odstraňujú konečné produkty metabolizmu.

V bunke neustále prebieha veľké množstvo rôznych chemických reakcií, ktoré tvoria metabolické dráhy – postupnosť premeny jednej zlúčeniny na druhú. Metabolizmus je súhrn všetkých metabolických dráh vyskytujúcich sa v tele.

Delia sa na katabolizmus (rozklad zložitých látok na jednoduché s uvoľnením energie) a anabolizmus (syntéza zložitejších látok z jednoduchých látok).

Všetky cesty sú navzájom koordinované v čase a priestore. Túto konzistentnosť metabolických procesov zabezpečujú zložité regulačné mechanizmy.

Usporiadanie chemických reakcií do metabolických dráh

Optimálna aktivita enzýmov, ktoré regulujú reakcie metabolickej dráhy, sa dosahuje vďaka určitej organizácii v bunke.

1. Priestorová lokalizácia enzýmov

Väčšina enzýmov je lokalizovaná v bunke, pričom enzýmy z jednej metabolickej dráhy sú umiestnené v jednom kompartmente bunky. Pre protichodné procesy je dôležité oddelenie metabolických dráh. Napríklad syntéza mastných kyselín prebieha v cytoplazme a ich rozklad v mitochondriách. Ak by takéto delenie neexistovalo, potom by vznikli fyziologicky zbytočné dráhy.

V metabolických dráhach slúži produkt prvej reakcie ako substrát pre druhú reakciu a tak ďalej, až kým nevznikne konečný produkt. Medziprodukty z jednej dráhy sa môžu uvoľniť z následných reakcií a použiť v iných metabolických dráhach, napr. všetky metabolické cesty sú vzájomne prepojené.

Priestorová organizácia enzýmov môže byť taká výrazná, že reakčný produkt nemožno izolovať z metabolickej dráhy a nevyhnutne slúži ako substrát pre ďalšiu reakciu.

Táto organizácia metabolickej dráhy sa nazýva multienzýmový komplex. Tieto komplexy sú spojené s membránami. Príkladom takéhoto komplexu je komplex pyruvátdehydrogenázy, pod vplyvom ktorého dochádza k oxidatívnej dekarboxylácii kyseliny pyrohroznovej.

1. Štruktúra metabolickej dráhy

Metabolické cesty sú rozdelené do 4 typov. Ak sa substrát premení na jeden produkt, potom sa táto cesta nazýva lineárne(glykolýza). Viac bežné rozvetvený dráh - keď sa syntetizujú rôzne produkty v závislosti od potrieb bunky (syntéza nukleotidov). Existujú aj cyklické (cyklus trikarboxylových kyselín) a helikálne (β-oxidácia mastných kyselín) metabolické dráhy.

Orgánová špecifickosť

Enzýmy sa nachádzajú vo všetkých bunkách tela. Počas procesu diferenciácie buniek sa mení aj ich enzýmové zloženie. Napríklad enzým argináza, ktorý sa podieľa na syntéze močoviny, sa nachádza v pečeňových bunkách. Ide o takzvaný orgánovo špecifický enzým.

Rozčlenenie

Fungovanie bunky je zabezpečené priestorovou a časovou reguláciou metabolických dráh. Priestorová regulácia je spojená s lokalizáciou určitých enzýmov v rôznych organelách. V jadre sú enzýmy spojené so syntézou DNA a RNA, v cytoplazme - glykolytické enzýmy, v lyzozómoch - hydrolytické enzýmy, v mitochondriách - enzýmy cyklu trikarboxylových kyselín a elektrónového transportného reťazca.

Princípy regulácie metabolických dráh

Všetky chemické reakcie v bunke prebiehajú za účasti enzýmov. Na ovplyvnenie rýchlosti metabolickej dráhy stačí regulovať množstvo alebo aktivitu enzýmov. Každá metabolická dráha má kľúčové enzýmy, ktoré regulujú rýchlosť celej dráhy. Tieto enzýmy sa nazývajú regulačné enzýmy.

Regulácia rýchlosti enzymatických reakcií sa vykonáva na 3 úrovniach:

Zmena počtu molekúl enzýmu

Dostupnosť substrátu a koenzýmu

Zmena katalytickej aktivity enzýmov

Regulácia počtu molekúl enzýmu v bunke

V bunke neustále prebieha syntéza a rozklad molekuly enzýmového proteínu.

Aminokyselinové enzýmy

Regulácia syntézy enzýmov môže nastať v ktoromkoľvek štádiu tvorby proteínovej molekuly. Najviac študovaná regulácia syntézy proteínových molekúl je na úrovni transkripcie, ktorú vykonávajú hormóny a biologicky aktívne molekuly. Degradácia enzýmov je menej študovaná.

Regulácia rýchlosti enzymatickej reakcie dostupnosťou substrátu a koenzýmu

Hlavným a nevyhnutným parametrom regulujúcim rýchlosť metabolickej dráhy je prítomnosť prvého substrátu. Čím vyššia je jeho koncentrácia, tým vyššia je rýchlosť metabolickej dráhy.

Ďalším parametrom je prítomnosť regenerovaných koenzýmov. Pri dehydrogenačných reakciách sú koenzýmom dehydrogenáz oxidované formy NAD+, FAD, FMN, ktoré sa pri reakcii redukujú. Aby sa koenzýmy opäť zúčastnili reakcie, je potrebné, aby sa opäť premenili na oxidovanú formu.

Regulácia enzýmovej katalytickej aktivity

Alosterická regulácia

Regulácia interakciami proteín-proteín

Regulácia enzýmovou fosforyláciou/defosforyláciou

Regulácia proteolýzou

Alosterická regulácia

Enzýmy s takýmto regulačným mechanizmom sú spravidla oligomérne proteíny. Pozostávajú z niekoľkých (aspoň 2) podjednotiek a majú aktívne a alosterické centrá, ktoré sa nachádzajú na rôznych podjednotkách. Pripojenie efektora (bunkového metabolitu) k alosterickému centru spôsobuje kooperatívne konformačné zmeny vo všetkých protoméroch.

Ak sa efektor (aktivátor) naviaže na alosterické miesto, zvýši sa väzba substrátu na aktívnom mieste a zvýši sa rýchlosť reakcie, ktorú tento enzým katalyzuje. Konformačné preskupenia v aktívnom centre enzýmu zvyšujú alebo znižujú jeho afinitu k substrátu.

So zvyšujúcou sa koncentráciou aktivátora v bunke sa zvyšuje rýchlosť jeho väzby v alosterickom centre. Mení sa konformácia regulačnej podjednotky enzýmu, v enzýme nastávajú kooperatívne konformačné zmeny, mení sa konformácia aktívneho centra enzýmu, zvyšuje sa afinita enzýmu k substrátu a rýchlosť enzymatickej reakcie. S poklesom koncentrácie alosterického aktivátora klesá rýchlosť väzby regulačného ligandu v alosterickom centre. Mení sa konformácia regulačnej podjednotky, v enzýme nastávajú kooperatívne konformačné zmeny, mení sa konformácia aktívneho centra, klesá afinita k substrátu a znižuje sa rýchlosť reakcie.

Ak je efektor inhibítor, potom sa zníži afinita enzýmu k substrátu a rýchlosť jeho premeny na produkt.

Alosterické enzýmy regulujú rýchlosť metabolických dráh, ktoré sú sekvenciou vzájomne prepojených reakcií katalyzovaných rôznymi enzýmami

E1 E2 E3 E4

Látka S sa premení na produkt P v dôsledku 4 po sebe nasledujúcich enzymatických reakcií. Produkt jednej reakcie slúži ako substrát pre ďalšiu.

Alosterické enzýmy katalyzujú:

Ireverzibilné alebo čiastočne reverzibilné reakcie

Najpomalšie, kľúčové reakcie

Reakcie v bodoch vetvenia metabolickej dráhy

Regulačné molekuly:

Koncové produkty metabolických dráh

Substráty metabolických dráh

Intermediárne metabolity alebo špecifické molekuly

Napríklad katabolizmus glukózy na CO2 a H20 je regulovaný alostericky.

E1 E2 E3 Jesť

glukóza B C M N ….. ……. CO2, H20, ATP

Význam tohto procesu je syntéza ATP v bunke v dôsledku katabolizmu glukózy. Keď sa pomer ATP/ADP zvyšuje, rýchlosť reakcie tejto metabolickej dráhy klesá. Z vyššie uvedeného sledu enzymatických reakcií je E3 alosterický, pretože katalyzuje ireverzibilnú najpomalšiu reakciu.

Keď sa hladina ATP v bunke zvýši

ATP interaguje s alosterickým miestom enzýmu E3

Vyskytujú sa kooperatívne konformačné zmeny enzýmu E3

Afinita E3 k substrátu klesá

Aktivita reakcie katalyzovanej enzýmom E3 klesá a spomaľuje sa.

Rýchlosť metabolickej dráhy klesá