Метаболизъм. Основни процеси на клетъчния метаболизъм

Принципи на регулиране на метаболитните пътища

Всички химични реакции в клетката протичат с участието на ензими. Следователно, за да се повлияе на скоростта на метаболитния път, е достатъчно да се регулира количеството или активността на ензимите. Обикновено метаболитните пътища съдържат ключови ензими, които регулират скоростта на целия път. Тези ензими (един или повече в метаболитен път) се наричат ​​регулаторни ензими; те като правило катализират първоначалните реакции на метаболитния път, необратими реакции, реакции, ограничаващи скоростта (най-бавните) или реакции в точката на превключване на метаболитния път (точки на разклоняване).

Регулирането на скоростта на ензимните реакции се извършва на 3 независими нива:

• · промяна в броя на ензимните молекули;
• Наличие на субстратни и коензимни молекули;
• · изменение на каталитичната активност на ензимната молекула.

Регулиране на ензимната каталитична активност

Най-важната роля в промяната на скоростта на метаболитните пътища е регулирането на каталитичната активност на един или повече ключови ензими на даден метаболитен път. Това е високоефективен и бърз начин за регулиране на метаболизма.

Основните начини за регулиране на ензимната активност:

• алостерична регулация;
• · регулиране чрез протеин-протеинови взаимодействия;
• · регулиране чрез фосфорилиране/дефосфорилиране на ензимната молекула;
• · регулиране чрез частична (ограничена) протеолиза.

Алостерична регулация

Алостеричните ензими са ензими, чиято активност се регулира не само от броя на субстратните молекули, но и от други вещества, наречени ефектори. Ефекторите, включени в алостеричната регулация, са клетъчни метаболити, често от самия път, който регулират.

Алостеричните ензими играят важна роля в метаболизма, тъй като реагират изключително бързо на най-малките промени във вътрешното състояние на клетката. Алостеричната регулация е от голямо значение в следните ситуации:

• · по време на анаболни процеси. Инхибирането от крайния продукт на метаболитния път и активирането от първоначалните метаболити прави възможно регулирането на синтеза на тези съединения;
• · при катаболни процеси. Когато АТФ се натрупва в клетката, метаболитните пътища, които осигуряват синтеза на енергия, се инхибират. В този случай субстратите се изразходват за реакции на съхранение на резервни хранителни вещества;
• · за координиране на анаболните и катаболните пътища. ATP и ADP са алостерични ефектори, които действат като антагонисти;
• · за координиране на паралелни и взаимосвързани метаболитни пътища (например синтеза на пуринови и пиримидинови нуклеотиди, използвани за синтеза на нуклеинови киселини). По този начин, крайните продукти на един метаболитен път могат да бъдат алостерични ефектори на друг метаболитен път.

Алостерични ефектори. Ефектор, който причинява намаляване (инхибиране) на ензимната активност, се нарича отрицателен ефектор или инхибитор. Ефектор, който предизвиква повишаване (активиране) на ензимната активност, се нарича положителен ефектор или активатор.

Различни метаболити често служат като алостерични ефектори. Крайните продукти на метаболитния път често са инхибитори на алостеричните ензими, а изходните вещества са активатори. Това е така наречената хетеротропна регулация. Този тип алостерична регулация е много често срещана в биологичните системи.

По-рядък случай на алостерична регулация е, когато самият субстрат може да действа като положителен ефектор. Такава регулация се нарича хомотропна (ефекторът и субстратът са едно и също вещество). Тези ензими имат множество места за свързване на субстрата, които могат да изпълняват двойни функции: каталитична и регулаторна. Алостеричните ензими от този тип се използват в ситуации, когато субстратът се натрупва в излишък и трябва бързо да се превърне в продукт.

Ензимите с алостерична регулация могат да бъдат идентифицирани чрез изследване на кинетиката на тези ензими.

Характеристики на структурата и функционирането на алостеричните ензими:

обикновено това са олигомерни протеини, състоящи се от няколко протомери или имащи доменна структура;

те имат алостеричен център, пространствено отдалечен от каталитично активния център;

ефекторите се прикрепят към ензима нековалентно в алостерични (регулаторни) центрове;

Алостеричните центрове, подобно на каталитичните, могат да проявяват различна специфичност по отношение на лигандите: тя може да бъде абсолютна или групова. Някои ензими имат няколко алостерични центъра, някои от които са специфични за активатори, други за инхибитори.

протомерът, върху който е разположен алостеричният център, е регулаторен протомер, за разлика от каталитичния протомер, съдържащ активния център, в който протича химичната реакция;

алостеричните ензими имат свойството кооперативност: взаимодействието на алостеричен ефектор с алостеричен център предизвиква последователна кооперативна промяна в конформацията на всички субединици, което води до промяна в конформацията на активния център и промяна в афинитета на ензима за субстрата, който намалява или повишава каталитичната активност на ензима;

регулирането на алостеричните ензими е обратимо: отделянето на ефектора от регулаторната субединица възстановява първоначалната каталитична активност на ензима;

алостеричните ензими катализират ключови реакции в този метаболитен път.

Фигура 3. Диаграма, обясняваща работата на алостеричен ензим. А - действие на отрицателен ефектор (инхибитор); B - действие на положителен ефектор (активатор).

Локализация на алостеричните ензими в метаболитния път.

Скоростта на метаболитните процеси зависи от концентрацията на веществата, използвани и образувани в дадена верига от реакции. Такова регулиране изглежда логично, тъй като когато крайният продукт се натрупа, той (крайният продукт) може да действа като алостеричен инхибитор на ензима, който най-често катализира началния етап на този метаболитен път:

Ензимът, който катализира превръщането на субстрат A в продукт B, има алостерично място за отрицателен ефектор, който е крайният продукт на метаболитния път F. Ако концентрацията на F се увеличи (т.е. субстанцията F се синтезира по-бързо, отколкото се консумира ), активността на един от първоначалните ензими се инхибира. Тази регулация се нарича отрицателна обратна връзка или ретроинхибиране. Отрицателната обратна връзка е общ механизъм за регулиране на метаболизма в клетките.

В централните метаболитни пътища прекурсорите могат да бъдат активатори на ключови ензими в метаболитния път. По правило ензимите, които катализират ключовите реакции на крайните етапи на метаболитния път, са обект на алостерично активиране:

Като пример можем да разгледаме принципите на регулиране на гликолизата, специфичен (първоначален) път за разграждане на глюкозата (фиг. 4). Един от крайните продукти на разграждането на глюкозата е АТФ молекулата. Когато в клетката има излишък на АТФ, настъпва ретроинхибиране на алостеричните ензими фосфофруктокиназа и пируват киназа. При образуване на голямо количество фруктозо-1,6-бисфосфат се наблюдава алостерично активиране на ензима пируват киназа.

Фигура 4. Диаграма на положителна и отрицателна регулация на глюкозния катаболизъм.

Молекулата на АТФ участва в ретроинхибирането на алостеричните ензими фосфофруктокиназа и пируват киназа. Фруктозо-1,6-бисфосфатът е активатор на метаболитния път на разграждане на глюкозата. Плюсовете показват активиране, минусите показват инхибиране на ензимите.

Благодарение на тази регулация се координира метаболитният път на разграждане на глюкозата.

В регулацията на метаболитните пътища участват три вида механизми. Първият от тях, който реагира най-бързо на всяка промяна в ситуацията, е свързан с действието на алостерични ензими (фиг. 13-15), чиято каталитична активност може да се промени под въздействието на специални вещества, които имат стимулиращ или инхибиторен ефект (те се наричат ​​ефектори или модулатори; раздел 9.18).

По правило алостеричните ензими заемат място в началото или близо до началото на дадена мултиензимна последователност и катализират този етап, който ограничава скоростта на целия процес като цяло; Обикновено ролята на такъв етап играе практически необратима реакция.

Ориз. 13-15. Регулиране на катаболитния път чрез обратна връзка, т.е. поради инхибиране на алостеричния ензим от крайния продукт на този процес. Буквите J, K, L и т.н. означават междинни продукти от този метаболитен път, а буквите E1, E2, E3 и т.н. означават ензими, които катализират отделните етапи. Първата стъпка се катализира от алостеричен ензим (ED), който се инхибира от крайния продукт на тази реакционна последователност. Алостеричното инхибиране се обозначава с прекъсната червена стрелка, която свързва инхибиторния метаболит с реакцията, катализирана от алостеричния ензим. Регулираната стъпка (катализирана от ензима EJ обикновено е практически необратима реакция в клетъчни условия.

В катаболните процеси, придружени от синтеза на АТФ от АДФ, този краен продукт, АТФ, често действа като алостеричен инхибитор на един от ранните етапи на катаболизма. Алостеричният инхибитор на един от ранните етапи на анаболизма често е крайният продукт на биосинтезата, например някаква аминокиселина (раздел 9.18). Активността на някои алостерични ензими се стимулира от специфични положителни модулатори. Алостеричен ензим, който регулира една от катаболните реакционни последователности, може, например, да бъде обект на стимулиращото влияние на положителните модулатори, ADP или AMP, и на инхибиторния ефект на отрицателния модулатор, ATP. Има и случаи, когато алостеричен ензим на метаболитен път реагира по специфичен начин на междинни или крайни продукти на други метаболитни пътища. Благодарение на това е възможно да се координира скоростта на действие на различни ензимни системи.

Вторият тип механизми, които регулират метаболизма във висшите организми, е хормоналната регулация (фиг. 13-16). Хормоните са специални химични вещества (химически „пратеници”), произвеждани от различни жлези с вътрешна секреция и освободени директно в кръвта; те се транспортират от кръвта до други тъкани или органи и тук стимулират или инхибират определени видове метаболитна активност. Хормонът епинефрин, например, се секретира от надбъбречната медула и се пренася от кръвта в черния дроб, където стимулира разграждането на гликогена до глюкоза, което води до повишаване на нивата на кръвната захар. В допълнение, адреналинът стимулира разграждането на гликогена в скелетните мускули; този процес води до образуването на лактат и съхраняването на енергия под формата на АТФ. Епинефринът предизвиква тези ефекти, като се прикрепя към специфични рецепторни места на повърхността на мускулните клетки или чернодробните клетки.

Свързването на адреналина служи като сигнал; този сигнал се предава към вътрешните части на клетката и тук предизвиква ковалентна модификация, под влиянието на която гликоген фосфорилазата (първият ензим в системата, който катализира превръщането на гликоген в глюкоза и други продукти; раздел 9.22) преминава от по-малко активна форма към по-активна (фиг. 13-16).

Третият тип механизми за регулиране на метаболизма са свързани с промени в концентрацията на този ензим в клетката. Концентрацията на всеки ензим във всеки един момент се определя от съотношението на скоростите на неговия синтез и разпад. Скоростта на синтеза на някои ензими се увеличава рязко при определени условия; Съответно концентрацията на този ензим в клетката се увеличава. Ако, например, едно животно получава диета, богата на въглехидрати, но бедна на протеини, тогава неговият черен дроб съдържа изключително ниски нива на ензими, които при нормални условия катализират разграждането на аминокиселините до ацетил-КоА. Тъй като тези ензими практически не са необходими при такава диета, те не се произвеждат в големи количества. Струва си обаче да преминете животното към диета, богата на протеини, и в рамките на един ден съдържанието на ензими в черния му дроб ще се увеличи значително, което сега ще бъде необходимо за разграждане на смилаеми аминокиселини.

Ориз. 13-16. Хормонална регулация на ензимните реакции. В резултат на прикрепването на хормона адреналин към специфични рецептори, разположени на повърхността на чернодробните клетки, се образува цикличен аденилат с участието на мембранно свързан ензим (аденилат циклаза). Последният функционира като алостеричен активатор или вътреклетъчен медиатор, под влиянието на който гликоген фосфорилазата преминава от неактивна форма в активна, което води до ускоряване на превръщането на чернодробния гликоген в кръвна глюкоза. Този метаболитен път е описан подробно в гл. 25.

Ориз. 13-17. Ензимна индукция. Високата вътреклетъчна концентрация на субстрат А може да стимулира биосинтезата на ензими Е1, Е2 и Е3. Съдържанието на тези ензими в клетката се увеличава и по този начин се създава възможност за ускоряване на тези реакции, в резултат на което излишният субстрат А се отстранява. Следователно излишъкът от субстрат А служи като сигнал за клетъчното ядро, принуждавайки го да „включи“ гените, които контролират образуването на ензимите El, E2 и E3. Включването на гени означава синтез на съответната информационна РНК; навлиза в рибозомите и в резултат на това в тях се осъществява синтеза на ензимите Е1, Е2 и Е3.

Следователно, чернодробните клетки имат способността да включват или изключват биосинтезата на специфични ензими, в зависимост от естеството на хранителните вещества, влизащи в тях. Това явление се нарича ензимна индукция (фиг. 13-17).

В живите организми, които са в постоянен контакт и обмен с околната среда, настъпват непрекъснати химични промени, които изграждат техния метаболизъм (много ензимни реакции). Мащабът и посоката на метаболитните процеси са много разнообразни. Примери:

а) броят на клетките на Е. coli в бактериална култура може да се удвои с 2/3 за 20 минути в проста среда с глюкоза и неорганични соли. Тези компоненти се абсорбират, но само няколко се освобождават в околната среда от растящата бактериална клетка и се състои от приблизително 2,5 хиляди протеини, 1 хиляди органични съединения, различни нуклеинови киселини в количество от 10-3 * 10 молекули. Очевидно е, че тези клетки участват в грандиозно биологично изпълнение, в което рутинно се доставят огромен брой биомолекули, необходими за клетъчния растеж. Не по-малко впечатляващ е метаболизмът на възрастен човек, който поддържа същото тегло и състав на тялото си приблизително 40 години, въпреки че през това време консумира около 6 тона твърда храна и 37 850 литра вода. Всички вещества в тялото се превръщат (сложни в прости и обратно) от 2/3 от поредица от последователни съединения, всяко от които се нарича метаболит. Всяка трансформация е етап от метаболизма.

Наборът от такива последователни етапи, катализирани от отделни ензими, се нарича метаболитен път. Метаболизмът се формира от съвкупността от фигуративни метаболитни пътища и тяхното съвместно функциониране. Това се извършва последователно, а не хаотично (синтез на аминокиселини, разграждане на глюкоза, мастни киселини, синтез на пуринови основи). Ние знаем много малко, следователно механизмът на действие на лекарствените вещества е много ясен!!!

Целият метаболитен път обикновено се контролира от първия - втория етап на метаболизма (ограничаващ фактор, ензими с алостеричен център - регулаторен).

Такива етапи се наричат ​​ключови, а метаболитите на тези етапи се наричат ​​ключови метаболити.

Метаболитите, разположени по кръстосани метаболитни пътища, се наричат ​​възлови метаболити.

Има циклични метаболитни пътища: а) обикновено се включва друго вещество и изчезва; б) клетката преминава с малко количество метаболити - икономия. Контролни пътища за преобразуване на основните хранителни вещества

Албинизъм Ендемична гуша

хомогенен пигмент. Компания за тироксин

меланин

Алкаптурия

въглероден диоксид и вода

Регулиране на метаболизма

Всяка реакция протича със скорост, съизмерима с нуждите на клетката („умните“ клетки!). Тези специфични определят регулацията на метаболизма.

I. Регулиране на скоростта на навлизане на метаболитите в клетката (транспортът се влияе от водните молекули и концентрационния градиент).

а) проста дифузия (например вода)

б) пасивен транспорт (без консумация на енергия, например пентози)

в) активен транспорт (носеща система, ATP)

II. Контрол на количеството на определени ензими Потискане на ензимния синтез от крайния продукт на метаболизма. Това явление представлява груб контрол на метаболизма, например, синтезът на ензими, които синтезират GIS, се потиска в присъствието на GIS в бактериалната културална среда. Груб контрол - тъй като се прилага за дълъг период от време, докато готовите ензимни молекули се унищожават. Индуциране на един или повече ензими от субстрати (повишаване на концентрацията на специфичен ензим). При бозайниците подобен феномен се наблюдава няколко часа или дни по-късно в отговор на индуктор.

III. Контрол на каталитичната активност а) ковалентна (химическа) модификация б) алостерична модификация (+/-) връзки Модулирането на активността от вече присъстващ ензим е главно алостерична регулация (хомо-, хетеро-, хомохетероензими) или действието на активатори - това е фин регулиращ механизъм, така че как незабавно действа в отговор на промените във вътреклетъчната среда. Тези регулаторни механизми са ефективни на клетъчно и субклетъчно ниво, на междуклетъчно и органно ниво на регулиране, осъществявано от хормони, невротрансмитери, вътреклетъчни медиатори и простагландини.

Метаболитни пътища:

1) катаболен

2) анаболен

3) амфоболитичен (свързва първите две)

Катаболизъм- последователност от ензимни реакции, в резултат на което се получава разрушаване главно поради окислителните реакции на големи молекули (въглехидрати, протеини, липиди, нуклеинови киселини) с образуването на светлина (млечна и оцетна киселина, въглероден диоксид и вода) и освобождаването на енергия, съдържаща се в ковалентни връзки на различни съединения, част от енергията се съхранява под формата на високоенергийни връзки, които след това се използват за механична работа, транспорт на вещества и биосинтеза на големи молекули.

Има три етапа на катаболизъм:

Етап I - Храносмилане. Големите хранителни молекули се разграждат на градивни елементи под въздействието на храносмилателни ензими в стомашно-чревния тракт и се освобождава 0,5-1% от енергията, съдържаща се във връзките.

II етап – Обединение. Голям брой продукти, образувани на етап 1, дава в етап 2 по-прости продукти, чийто брой е малък и около 30% от енергията се освобождава. Този етап също е ценен, защото освобождаването на енергия на този етап води до синтеза на АТФ в безкислородни (анаеробни) условия, което е важно за организма при хипоксични условия.

III етап - цикъл на Кребс. (трикарбоксилни киселини/лимонена киселина). По същество това е процес на превръщане на двувъглеродно съединение (оцетна киселина) в 2 мола въглероден диоксид, но този път е много сложен, цикличен, мултиензимен, основният доставчик на електрони за дихателната верига и, съответно, ATP молекули в процеса на окислително фосфорилиране. Почти всички ензими от цикъла се намират вътре в митохондриите, така че донорите на електрони от цикъла TCA свободно даряват електрони директно на дихателната верига на митохондриалната мембранна система.

Диаграма на цикъла на трикарбоксилната киселина.

Сукцинил КоА - съдържа високоенергийна тиоестерна връзка, която може да се трансформира във високоенергийна GTP връзка (субстратно фосфорилиране).

FAD - пренася електрони към CoQ на дихателната верига: електрон

алфа-кетоглутарат вода изоцитрат

алфа-кетоглутарат сукцинил CoA CO2

В допълнение към всичко, TCA цикълът е едновременно 1-вият етап на анаболизма.

1) различни ензимни системи.

2) локализацията на процесите е различна (например окислението на мастните киселини се извършва в митохондриите, а синтезът се извършва в цитоплазмата).

3) различни механизми на алостерична и генетична регулация.

4) различен качествен състав на крайните продукти на анаболизма.

5) разход на енергия по време на анаболизъм и освобождаване по време на катаболизъм

В тялото има и амфиболни пътища (както процесът на гниене, така и процесът на синтез протичат едновременно). Най-голямата:

а) гликолиза на фосфотриоза ацетил КоА

b) TCA ацетил CoA CO2 + H2O

Разграждането е разглобено, но могат да се образуват различни съединения от много продукти от цикъла TCA:

А) оксалооцетна киселина asp, asn, glu

B) алфа-кетоглутарат glu, gln, glu

Б) лимонена киселина в цитоплазмата ацетил КоА

мастна киселина,

стероиди

Г) сукцинил КоА хем

ДИНАМИЧНА БИОХИМИЯ

ГлаваIV.8.

Метаболизъм и енергия

Метаболизъм или метаболизъм - съвкупност от химични реакции в организма, които му осигуряват необходимите за живота вещества и енергия. В обмяната на веществата могат да се разграничат два основни етапа: подготвителен - когато дадено вещество, получено по храносмилателния път, претърпява химични трансформации, в резултат на което може да попадне в кръвта и след това да проникне в клетките, и самият метаболизъм, т.е. химически трансформации на съединения, които са проникнали в клетките.

Метаболитен път - това е естеството и последователността на химичните трансформации на определено вещество в тялото. Междинните продукти, образувани по време на метаболитния процес, се наричат ​​метаболити, а последното съединение на метаболитния път е крайният продукт.

Процесът на разграждане на сложни вещества на по-прости се нарича катаболизъм. По този начин протеините, мазнините и въглехидратите в храната се разграждат на по-прости компоненти (аминокиселини, мастни киселини и монозахариди) под действието на ензими в храносмилателния тракт. Това освобождава енергия. Нарича се обратният процес, т.е. синтезът на сложни съединения от по-прости анаболизъм . Това идва с разход на енергия. От аминокиселини, мастни киселини и монозахариди, образувани в резултат на храносмилането, в клетките се синтезират нови клетъчни протеини, мембранни фосфолипиди и полизахариди.

Има концепция амфиболизъм когато едно съединение се разрушава, но се синтезира друго.

Метаболитен цикъл е метаболитен път, при който един от крайните продукти е идентичен на едно от съединенията, участващи в този процес.

Конкретен метаболитен път е набор от трансформации на едно специфично съединение (въглехидрати или протеини). Общият метаболитен път е, когато участват два или повече вида съединения (въглехидрати, липиди и частично протеини участват в енергийния метаболизъм).

Метаболитни субстрати - съединения, доставяни с храна. Сред тях има основни хранителни вещества (протеини, въглехидрати, липиди) и второстепенни, които идват в малки количества (витамини, минерали).

Интензивността на метаболизма се определя от нуждата на клетката от определени вещества или енергия; регулирането се извършва по четири начина:

1) Общата скорост на реакция на определен метаболитен път се определя от концентрацията на всеки от ензимите в този път, стойността на pH на околната среда, вътреклетъчната концентрация на всеки от междинните продукти и концентрацията на кофактори и коензими.

2) Активността на регулаторните (алостерични) ензими, които обикновено катализират началните етапи на метаболитните пътища. Повечето от тях се инхибират от крайния продукт на този път и този тип инхибиране се нарича "обратна връзка".

3) Генетичен контрол, който определя скоростта на синтез на определен ензим. Ярък пример е появата на индуцируеми ензими в клетка в отговор на доставянето на съответния субстрат.

4) Хормонална регулация. Редица хормони могат да активират или инхибират много ензими в метаболитните пътища.

Живите организми са термодинамично нестабилни системи. За тяхното формиране и функциониране е необходимо непрекъснато снабдяване с енергия във вид, подходящ за многостранно използване. За да получат енергия, почти всички живи същества на планетата са се приспособили да хидролизират една от пирофосфатните връзки на АТФ. В тази връзка една от основните задачи на биоенергетиката на живите организми е попълването на използвания АТФ от АДФ и АМФ.

Основният източник на енергия в клетката е окисляването на субстратите с атмосферен кислород. Този процес протича по три начина: добавяне на кислород към въглеродния атом, отнемане на водород или загуба на електрон. В клетките окислението протича под формата на последователно прехвърляне на водород и електрони от субстрата към кислорода. В този случай кислородът играе ролята на редуциращо съединение (окислител). Окислителните реакции протичат с освобождаване на енергия.Биологичните реакции се характеризират с относително малки промени в енергията. Това се постига чрез разделяне на процеса на окисление на няколко междинни етапа, което позволява да се съхранява на малки порции под формата на високоенергийни съединения (ATP). Редукцията на кислороден атом при взаимодействие с двойка протони и електрони води до образуването на водна молекула.

Тъканно дишане

Това е процесът на консумация на кислород от клетките на телесните тъкани, който участва в биологичното окисление. Този тип окисление се нарича аеробно окисление . Ако крайният акцептор във веригата за пренос на водород не е кислород, а други вещества (например пирогроздена киселина), тогава този тип окисление се нарича анаеробни.

Че. биологичното окисление е дехидрогениране на субстрат с помощта на междинни носители на водород и неговия краен акцептор.

Дихателна верига (ензими за тъканно дишане) са преносители на протони и електрони от окисления субстрат към кислорода. Окислителят е съединение, което може да приема електрони. Тази способност се характеризира количествено редокс потенциал спрямо стандартен водороден електрод, чието pH е 7,0. Колкото по-нисък е потенциалът на едно съединение, толкова по-силни са неговите редуциращи свойства и обратно.

Че. всяко съединение може да отдаде електрони само на съединение с по-висок редокс потенциал. В дихателната верига всяка следваща връзка има по-висок потенциал от предишната.

Дихателната верига се състои от:

1. NAD-зависима дехидрогеназа;

2. FAD-зависима дехидрогеназа;

3. Убихинон (Ko Q);

4. Цитохром b, c, a + a 3.

NAD-зависими дехидрогенази . Съдържа като коензим ПО-ГОРЕИ NADP. Пиридиновият пръстен на никотинамида е способен да приема електрони и водородни протони.

FAD и FMN-зависими дехидрогенази съдържат фосфорен естер на витамин B 2 като коензим ( ПРИЩЯВКА).

Убихинон (Ко Q ) отнема водород от флавопротеините и се превръща в хидрохинон.

Цитохроми - хромопротеинови протеини, способни да придобиват електрони поради наличието на железни порфирини като простетични групи в техния състав. Те приемат електрон от вещество, което е малко по-силен редуциращ агент и го прехвърлят на по-силен окислител. Железният атом е свързан към азотния атом на имидазоловия пръстен на хистидиновата аминокиселина от едната страна на равнината на порфириновия пръстен, а от другата страна към серния атом на метионина. Следователно, потенциалната способност на железния атом в цитохромите да свързва кислорода е потисната.

IN цитохром c порфириновата равнина е ковалентно свързана с протеина чрез два цистеинови остатъка и в цитохромексб И , той не е ковалентно свързан с протеини.

IN цитохром а+а 3 (цитохромоксидаза) вместо протопорфирин съдържа порфирин А, който се различава по редица структурни характеристики. Петата координационна позиция на желязото е заета от аминогрупа, принадлежаща към аминозахарен остатък, който е част от самия протеин.

За разлика от хема, хемолгобина, атомът на желязото в цитохромите може обратимо да се трансформира от двувалентно състояние в тривалентно, което осигурява електронен транспорт (вижте Приложение 1 „Атомна и електронна структура на хемопротеините“ за повече подробности).

Механизмът на действие на електронтранспортната верига

Външната мембрана на митохондриите (фиг. 4.8.1) е пропусклива за повечето малки молекули и йони, вътрешната мембрана е пропусклива за почти всички йони (с изключение на Н протоните) и за повечето незаредени молекули.

Всички горепосочени компоненти на дихателната верига са вградени във вътрешната мембрана. Транспортът на протони и електрони по дихателната верига се осигурява от потенциалната разлика между нейните компоненти. В този случай всяко увеличаване на потенциала с 0,16 V освобождава енергия, достатъчна за синтеза на една ATP молекула от ADP и H 3 PO 4. Когато се консумира една молекула O2, се образуват 3 АТФ.

Процесите на окисление и образуване на АТФ от АДФ и фосфорна киселина т.е. Фосфорилирането се извършва в митохондриите. Вътрешната мембрана образува много гънки - кристи. Пространството е ограничено от вътрешна мембрана - матрицата. Пространството между вътрешната и външната мембрана се нарича интермембрана.

Такава молекула съдържа три високоенергийни връзки. Макроергичен или богата на енергия е химическа връзка, която при разкъсване освобождава повече от 4 kcal/mol. Хидролитичното разграждане на АТФ до АДФ и фосфорна киселина освобождава 7,3 kcal/mol. Точно толкова се изразходва за образуването на АТФ от АДФ и остатъка от фосфорна киселина и това е един от основните начини за съхраняване на енергия в тялото.

По време на транспортирането на електрони по дихателната верига се освобождава енергия, която се изразходва за добавяне на остатък от фосфорна киселина към ADP, за да се образуват една молекула АТФ и една молекула вода. По време на преноса на една двойка електрони по дихателната верига се отделят 21,3 kcal/mol и се съхраняват под формата на три ATP молекули. Това представлява около 40% от енергията, освободена по време на електронния транспорт.

Този метод за съхраняване на енергия в клетката се нарича окислително фосфорилиране или свързано фосфорилиране.

Молекулярните механизми на този процес са най-пълно обяснени от хемоосмотичната теория на Мичъл, представена през 1961 г.

Механизъм на окислително фосфорилиране (Фиг. 4.8.2.):

1) NAD-зависимата дехидрогеназа се намира на повърхността на матрицата на вътрешната митохондриална мембрана и дарява двойка водородни електрони на FMN-зависимата дехидрогеназа. В този случай двойка протони също преминава от матрицата към FMN и в резултат на това се образува FMN H 2. По това време двойка протони, принадлежащи на NAD, се изтласква в междумембранното пространство.

2) FAD-зависимата дехидрогеназа дарява двойка електрони на Co Q и избутва няколко протона в междумембранното пространство. След получаване на електрони Co Q приема двойка протони от матрицата и се превръща в CoБърза помощ 2.

3) Ко Q H2 избутва двойка протони в междумембранното пространство и двойка електрони се прехвърля към цитохромите и след това към кислорода, за да образува водна молекула.

В резултат на това, когато двойка електрони се прехвърля по веригата от матрицата към междумембранното пространство, се изпомпват 6 протона (3 двойки), което води до създаване на потенциална разлика и рН разлика между повърхностите на вътрешната мембрана.

4) Потенциалната разлика и рН разликата осигуряват движението на протоните през протонния канал обратно в матрицата.

5) Това обратно движение на протоните води до активиране на АТФ синтазата и синтеза на АТФ от АДФ и фосфорна киселина. При прехвърляне на една двойка електрони (т.е. три двойки протони) се синтезират 3 молекули АТФ (фиг. 4.7.3.).

Дисоциация на процесите на дишане и окислително фосфорилиране възниква, когато протоните започнат да проникват през вътрешната мембрана на митохондриите. В този случай градиентът на pH се изравнява и движещата сила за фосфорилиране изчезва. Химическите разединители се наричат ​​протонофори; те са способни да транспортират протони през мембрана. Те включват 2,4-динитрофенол, тиреоидни хормони и др. (фиг. 4.8.3.).

Полученият АТФ от матрицата в цитоплазмата се пренася от транслоказни ензими, докато в обратна посока една молекула ADP и една молекула фосфорна киселина се прехвърлят в матрицата. Ясно е, че нарушаването на ADP и фосфатния транспорт инхибира синтеза на АТФ.

Скоростта на окислителното фосфорилиране зависи главно от съдържанието на АТФ; колкото по-бързо се консумира, толкова повече се натрупва ADP, толкова по-голяма е необходимата енергия и следователно процесът на окислително фосфорилиране е по-активен. Регулирането на скоростта на окислителното фосфорилиране чрез клетъчната концентрация на ADP се нарича дихателен контрол.

ЛИТЕРАТУРА КЪМ ГЛАВАТА IV.8.

1. Бишевски А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия за лекаря // Екатеринбург: Уралский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Биологична химия. – М.: Висше. училище 1998, 479 стр.;

3. Leninger A. Биохимия. Молекулярна основа на клетъчната структура и функции // М .: Мир, 1974, 956 с.;

4. Пустовалова Л.М. Семинар по биохимия // Ростов на Дон: Феникс, 1999, 540 с.;

5. Степанов В. М. Молекулярна биология. Структура и функции на протеини // М .: Висше училище, 1996, 335 с.;

Московска медицинска академия на името на I.M. Сеченов

Катедра по обща химия

Абстрактна работа №1

Студенти 1 курс, 9 група

Факултет на VSO кореспондентски отдел

Ромашкова Екатерина Дмитриевна

Москва 2010 г

Механизми за регулиране на метаболитните процеси

Активността на всички метаболитни пътища е постоянно регулирана, което гарантира, че синтезът и разграждането на метаболитите съответстват на физиологичните нужди на организма. Този раздел обсъжда механизмите на такова регулиране. Въпросите за регулиране на клетъчния метаболизъм са представени по-подробно в. Потокът от метаболити в метаболизма се определя главно от активността ензимиЗа да се повлияе на един или друг път, е достатъчно да се регулира активността на ензима, който катализира най-бавния етап. Тези ензими, т.нар ключови ензими, присъстват в повечето метаболитни пътища. Активността на ключовия ензим се регулира на три независими нива,

Контрол на транскрипцията.Контрол за ензимна биосинтеза(1) се извършва на генетично ниво. На първо място, ние говорим за синтеза на съответната иРНК (иРНК), както и транскрипциигенът, кодиращ ензима, т.е. О регулиране на транскрипцията.Участвайте в този процес регулаторни протеини(RP) (транскрипционни фактори), които действат директно върху ДНК. В допълнение, гените имат специални регулаторни региони - промоутъри- и места за свързване на регулаторни протеини (регулаторни елементи). Ефективността на тези протеини се влияе от метаболити или хормони. Ако този механизъм засилва синтеза на ензима, говорим за индукция, ако намалява или потиска - o репресия. Процесите на индукция и репресия се извършват само през определен период от време.

Взаимопреобразуване.Много по-бързо от транскрипционния контрол е взаимното преобразуване на ключови ензими (2). В този случай ензимът присъства в клетката в неактивна форма. С метаболитно търсене поради външен сигнал и чрез посредничеството на вторичен пратеник активиращ ензим(E 1) превръща ключовия ензим в каталитично активна форма. Ако необходимостта от този метаболитен път вече не е необходима, инактивиращ ензим(E 2) отново превръща ключовия ензим в неактивна форма. Процесът на взаимно преобразуване в повечето случаи се състои от АТФ-зависимо фосфорилиранеензимни протеини протеин киназаи съответно дефосфорилиране фосфатазаВ повечето случаи фосфорилираната форма на ензима е по-активна, но се срещат и обратните случаи.

Модулация от лиганди.Важен параметър, контролиращ хода на метаболитния път, е необходимостта от първия реагент (тук метаболит А). Наличието на метаболит А се увеличава с увеличаване на активността на метаболитния път (3), в който се образува А, и намалява с увеличаване на активността на други пътища (4), в които се консумира А. Наличието на А може да бъде ограничено поради транспортирането му до други части на клетката.

Често ограничаващият фактор също е наличие на коензим(5). Ако коензимът се регенерира по втори независим път, този път може да ограничи скоростта на основната реакция. Така, например, гликолизата и цитратният цикъл се регулират от наличието на NAD+.Тъй като NAD+ се регенерира в дихателната верига, последната регулира катаболизма на глюкозата и мастните киселини.Накрая, активността на ключов ензим може да се регулира лиганд(субстрат, краен продукт на реакцията, коензим, друг ефектор) като алостеричен ефекторчрез свързването му не в самия активен център, а на друго място на ензима и в резултат на това промяна в ензимната активност.Инхибирането на ключов ензим често се причинява от крайните продукти на реакцията на съответната метаболитна верига ( инхибиране по вид обратна връзка) или метаболит, включен в друг път. Първият реагент в реакционната верига може също да стимулира активирането на ензима.

Хормонална регулация на метаболизма

Ензимно-катализираното активиране и съответно инактивирането на ключови ензими на междинния метаболизъм се наричат взаимно преобразуване. Такива процеси са под различен контрол, включително и хормонален. Този раздел обсъжда процесите на взаимно преобразуване, които регулират метаболизма на гликогена в черния дроб.

А. Хормонална регулация на разграждането на гликогена

Гликогенът служи като резерв от въглехидрати в тялото, от който бързо се създава глюкозен фосфат в черния дроб и мускулите чрез разцепване Скоростта на синтеза на гликоген се определя от активността на гликоген синтазата (на диаграмата долу вдясно), докато разцепването се катализира гликоген фосфорилаза(на диаграмата долу вляво). И двата ензима действат върху повърхността на неразтворимите частици гликоген, където могат да бъдат в активна или неактивна форма, в зависимост от метаболитното състояние. При гладуване или в стресови ситуации (борба, бягане) се увеличава нуждата на организма от глюкоза. В такива случаи се отделят хормони адреналинИ глюкагон. Те активират разграждането и инхибират синтеза на гликоген. Адреналинът действа в мускулите и черния дроб, докато глюкагонът действа само в черния дроб.

И двата хормона се свързват с рецепторивърху плазмената мембрана (1) и се активират чрез посредничеството на G протеини аденилат циклаза(2), който катализира синтеза на 3,5"-цикло-АМР (cAMP) от АТФ (ATP). Огледалната противоположност е ефектът върху това " вторичен пратеник » фосфодиестераза cAMP (3), който хидролизира cAMP до AMP (AMP). В черния дроб диестеразата се индуцира от инсулин, който следователно не пречи на ефектите на другите два хормона (не са показани). cAMP се свързва и по този начин се активира протеин киназа А(4), който действа в две посоки: от една страна, с помощта фосфорилиранес участието на АТФ като коензим се превръща в неактивна D-форма гликоген синтазаи в резултат спира синтеза на гликоген (5); от друга страна, той активира - също чрез фосфорилиране - друга протеин киназа, фосфорилаза киназа(8). Активната фосфорилаза киназа фосфорилира неактивната b-форма гликоген фосфорилаза, превръщайки го в активната а-форма (7). Това води до освобождаване на глюкозо-1-фосфат от гликоген (8), който след превръщане в глюкозо-6-фосфат с участието на фосфоглюкомутаза се включва в гликолизата (9). Черният дроб допълнително произвежда свободна глюкоза, която влиза в кръвта (10).

Тъй като нивата на cAMP намаляват, те се активират. фосфопротеин фосфатази(11), които дефосфорилират различни фосфопротеини от описаната каскада и по този начин спират разграждането на гликогена и инициират неговия синтез. Тези процеси се случват в рамките на няколко секунди, така че метаболизмът на гликогена бързо се адаптира към променените условия.

Б. Взаимно превръщане на гликоген фосфорилаза

Структурните промени, които съпътстват взаимните преобразувания на гликоген фосфорилаза, са установени чрез рентгенов дифракционен анализ. Ензимът е димерсъс симетрия от втори ред. Всяка субединица има активен център, който се намира вътре в протеина и в b-формата е слабо достъпен за субстрата. Взаимното преобразуване започва с фосфорилиране на серинов остатък(Ser-14) близо до N-края на всяка субединица. Аргининовите остатъци на съседни субединици се свързват с фосфатни групи. Свързването инициира конформационни пренареждания, които значително повишават афинитета на ензима към алостеричния активатор AMP. Действието на AMP и влиянието на конформационните промени върху активните центрове водят до появата на по-активна α-форма. След отстраняване на фосфатните остатъци, ензимът спонтанно приема първоначалната си b-конформация.

Хормонална регулация на метаболизма на мастните киселини

метаболизъм ензим хормонална регулация

Адреналин и глюкагон активира вътреклетъчната липаза. Действието на тези хормони се медиира от аденилатциклазна каскада от реакции, започваща с активирането на аденилатциклазата и завършваща с фосфорилирането на липаза, която в този случай става активна и разцепва естерните връзки в TAG. Глицерол Като плазменоразтворимо вещество, той се транспортира до черния дроб, където се използва в реакции на глюконеогенеза. Мастна киселина се транспортират чрез кръвта под формата на комплекси със серумния албумин до различни органи и тъкани, където се включват в процеса на окисление.

Хормонална регулацияМетаболизмът на протеините осигурява динамичен баланс на техния синтез и разграждане.

· Протеинов анаболизъмконтролирани от хормони на аденохипофизата ( соматотропин), панкреас ( инсулин), мъжки полови жлези ( андроген). Увеличаването на анаболната фаза на протеиновия метаболизъм с излишък на тези хормони се изразява в повишен растеж и наддаване на тегло. Липсата на анаболни хормони причинява забавяне на растежа при децата.

· Белтъчен катаболизъмрегулиран от хормони на щитовидната жлеза ( тироксин и трийодтиронон), кортикален ( глюкокортикоиди) и мозък ( адреналин) вещества на надбъбречните жлези. Излишъкът от тези хормони увеличава разграждането на протеините в тъканите, което е придружено от изтощение и отрицателен азотен баланс. Липсата на хормони, например на щитовидната жлеза, е придружена от затлъстяване.