Metabolizam. Osnovni procesi ćelijskog metabolizma

Principi regulacije metaboličkih puteva

Sve hemijske reakcije u ćeliji odvijaju se uz učešće enzima. Dakle, da bi se uticalo na brzinu metaboličkog puta, dovoljno je regulisati količinu ili aktivnost enzima. Obično postoje ključni enzimi u metaboličkim putevima koji reguliraju brzinu cijelog puta. Ovi enzimi (jedan ili više u metaboličkom putu) se nazivaju regulatorni enzimi; kataliziraju, po pravilu, početne reakcije metaboličkog puta, ireverzibilne reakcije, reakcije ograničavanja brzine (najsporije) ili reakcije na mjestu promjene metaboličkog puta (tačke grananja).

Regulacija brzine enzimskih reakcija vrši se na 3 nezavisna nivoa:

• promjena broja molekula enzima;
• dostupnost molekula supstrata i koenzima;
• promjena u katalitičkoj aktivnosti molekula enzima.

Regulacija katalitičke aktivnosti enzima

Regulacija katalitičke aktivnosti jednog ili nekoliko ključnih enzima datog metaboličkog puta igra ključnu ulogu u promjeni brzine metaboličkih puteva. Ovo je vrlo efikasan i brz način regulacije metabolizma.

Glavni načini regulacije aktivnosti enzima:

• alosterična regulacija;
• regulacija interakcijama protein-protein;
• regulacija fosforilacijom/defosforilacijom molekula enzima;
• regulacija parcijalnom (ograničenom) proteolizom.

Alosterična regulacija

Alosterični enzimi su enzimi čija je aktivnost regulirana ne samo brojem molekula supstrata, već i drugim supstancama koje se nazivaju efektori. Efektori uključeni u alosterijsku regulaciju često su ćelijski metaboliti samog puta koji regulišu.

Alosterični enzimi igraju važnu ulogu u metabolizmu, jer izuzetno brzo reaguju na najmanje promjene u unutrašnjem stanju ćelije. Alosterična regulacija je od velike važnosti u sljedećim situacijama:

• tokom anaboličkih procesa. Inhibicija krajnjeg produkta metaboličkog puta i aktivacija početnim metabolitima omogućavaju regulaciju sinteze ovih spojeva;
• tokom kataboličkih procesa. U slučaju akumulacije ATP-a u ćeliji, inhibiraju se metabolički putevi koji obezbjeđuju sintezu energije. U isto vrijeme, supstrati se troše na reakcije skladištenja rezervnih hranjivih tvari;
• za koordinaciju anaboličkih i kataboličkih puteva. ATP i ADP su alosterični efektori koji djeluju kao antagonisti;
• Za koordinaciju paralelnih i međusobno povezanih metaboličkih puteva (na primjer, sinteza purinskih i pirimidinskih nukleotida koji se koriste za sintezu nukleinskih kiselina). Dakle, krajnji proizvodi jednog metaboličkog puta mogu biti alosterični efektori drugog metaboličkog puta.

alosterični efektori. Efektor koji uzrokuje smanjenje (inhibiciju) aktivnosti enzima naziva se negativni efektor ili inhibitor. Efektor koji uzrokuje povećanje (aktivaciju) enzimske aktivnosti naziva se pozitivni efektor ili aktivator.

Različiti metaboliti često služe kao alosterični efektori. Krajnji produkti metaboličkog puta su često inhibitori alosteričnih enzima, a polazni materijali su aktivatori. To je takozvana heterotropna regulacija. Ova vrsta alosterične regulacije je vrlo česta u biološkim sistemima.

Rjeđi slučaj alosterične regulacije je kada sam supstrat može djelovati kao pozitivan efektor. Takva regulacija se naziva homotropna (efektor i supstrat su ista supstanca). Ovi enzimi imaju više mjesta za vezivanje supstrata koja mogu imati dvostruku funkciju: katalitičku i regulatornu. Alosterični enzimi ovog tipa se koriste u situaciji kada se supstrat akumulira u višku i mora se brzo pretvoriti u proizvod.

Enzimi sa alosteričnom regulacijom mogu se identifikovati proučavanjem kinetike ovih enzima.

Karakteristike strukture i funkcioniranja alosteričnih enzima:

obično su to oligomerni proteini koji se sastoje od nekoliko protomera ili imaju strukturu domena;

imaju alosterični centar prostorno udaljen od katalitičkog aktivnog centra;

efektori se nekovalentno vezuju za enzim u alosteričnim (regulatornim) centrima;

alosterični centri, kao i katalitički, mogu pokazati različitu specifičnost u odnosu na ligande: može biti apsolutna i grupna. Neki enzimi imaju nekoliko alosteričnih centara, od kojih su neki specifični za aktivatore, a drugi za inhibitore.

protomer na kojem se nalazi alosterički centar je regulatorni protomer, za razliku od katalitičkog protomera koji sadrži aktivni centar u kojem se odvija kemijska reakcija;

alosterični enzimi imaju svojstvo kooperativnosti: interakcija alosteričkog efektora sa alosteričnim centrom uzrokuje dosljednu kooperativnu promjenu u konformaciji svih podjedinica, što dovodi do promjene konformacije aktivnog centra i promjene afiniteta enzima na supstrat, što smanjuje ili povećava katalitičku aktivnost enzima;

regulacija alosteričnih enzima je reverzibilna: odvajanje efektora od regulatorne podjedinice vraća početnu katalitičku aktivnost enzima;

alosterični enzimi kataliziraju ključne reakcije ovog metaboličkog puta.

Slika 3. Šema koja objašnjava rad alosteričnog enzima. A - djelovanje negativnog efektora (inhibitora); B - djelovanje pozitivnog efektora (aktivatora).

Lokalizacija alosteričnih enzima u metaboličkom putu.

Brzina metaboličkih procesa ovisi o koncentraciji tvari koje se koriste i formiraju u datom lancu reakcija. Takva se regulacija čini logičnom, budući da sa akumulacijom krajnjeg produkta on (krajnji proizvod) može djelovati kao alosterički inhibitor enzima koji najčešće katalizira početnu fazu ovog metaboličkog puta:

Enzim koji katalizuje konverziju supstrata A u proizvod B ima alosterički centar za negativni efektor, koji je krajnji proizvod metaboličkog puta F. Ako se koncentracija F poveća (tj. supstanca F se sintetizira brže nego što se troši) , aktivnost jednog od početnih enzima je inhibirana. Ova regulacija se naziva negativna povratna sprega ili retroinhibicija. Negativna povratna sprega je uobičajeni mehanizam za regulaciju ćelijskog metabolizma.

U centralnim metaboličkim putevima, matične supstance mogu biti aktivatori ključnih enzima metaboličkog puta. U pravilu, enzimi koji katalizuju ključne reakcije završnih faza metaboličkog puta podliježu alosteričnoj aktivaciji:

Kao primjer možemo uzeti u obzir principe regulacije glikolize, specifičnog (početnog) puta razgradnje glukoze (slika 4). Jedan od krajnjih proizvoda razgradnje glukoze je molekul ATP. Sa viškom ATP-a u ćeliji dolazi do retroinhibicije alosteričnih enzima fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Sa stvaranjem velike količine fruktoza-1,6-bisfosfata, uočava se alosterična aktivacija enzima piruvat kinaze.

Slika 4. Šema pozitivne i negativne regulacije katabolizma glukoze.

ATP molekul je uključen u retro-inhibiciju alosteričnih enzima fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Fruktoza-1,6-bisfosfat je aktivator metaboličkog puta razgradnje glukoze. Plusi označena aktivacija, minusi - inhibicija enzima.

Zahvaljujući ovoj regulaciji, ostvaruje se koherentnost tijeka metaboličkog puta razgradnje glukoze.

Tri tipa mehanizama su uključeni u regulaciju metaboličkih puteva. Prvi od njih, koji najbrže reagira na svaku promjenu situacije, povezan je s djelovanjem alosteričnih enzima (sl. 13-15), čija se katalitička aktivnost može promijeniti pod utjecajem posebnih supstanci koje imaju stimulativno ili inhibitorni efekat (oni se nazivaju efektori ili modulatori; dio 9.18).

Po pravilu, alosterični enzimi zauzimaju mjesto na početku ili blizu početka date multienzimske sekvence i kataliziraju taj njen stupanj, što ograničava brzinu cijelog procesa; Obično ulogu takve faze igra gotovo nepovratna reakcija.

Rice. 13-15. Regulacija kataboličkog puta putem povratne sprege, odnosno zbog inhibicije alosteričnog enzima krajnjim produktom ovog procesa. Slova J, K, L, itd. označavaju međuproizvode ovog metaboličkog puta, a slova E1, E2, E3, itd., enzime koji kataliziraju pojedinačne korake. Prvi korak je kataliziran alosteričnim enzimom (ED) koji je inhibiran krajnjim proizvodom ove sekvence reakcije.Alosterična inhibicija je označena isprekidanom crvenom strelicom koja povezuje inhibitorni metabolit sa reakcijom koju katalizira alosterični enzim.

U kataboličkim procesima praćenim sintezom ATP-a iz ADP-a, ovaj krajnji proizvod, ATP, često djeluje kao alosterički inhibitor jedne od ranih faza katabolizma. Alosterični inhibitor jedne od ranih faza anabolizma često je krajnji proizvod biosinteze, na primjer, neke aminokiseline (Odjeljak 9.18). Aktivnost nekih alosteričnih enzima stimuliraju specifični pozitivni modulatori. Alosterični enzim koji reguliše jednu od sekvenci kataboličke reakcije može, na primjer, biti podložan stimulativnom dejstvu pozitivnih modulatora-ADP ili AMP i inhibitornom efektu negativnog modulatora-ATP. Poznati su i slučajevi kada alosterični enzim jednog metaboličkog puta reagira na specifičan način na međuprodukte ili krajnje produkte drugih metaboličkih puteva. Ovo omogućava koordinaciju brzine djelovanja različitih enzimskih sistema.

Druga vrsta mehanizama koji regulišu metabolizam u višim organizmima je hormonska regulacija (sl. 13-16). Hormoni se nazivaju specijalne hemikalije (hemijski "posrednici") koje proizvode različite endokrine žlezde i oslobađaju se direktno u krv; oni se prenose krvlju u druga tkiva ili organe i ovdje stimuliraju ili inhibiraju određene vrste metaboličke aktivnosti. Hormon adrenalin, na primjer, luči srž nadbubrežne žlijezde, a krv ga prenosi do jetre, gdje stimulira razgradnju glikogena u glukozu, što uzrokuje porast razine šećera u krvi. Osim toga, adrenalin stimulira razgradnju glikogena u skeletnim mišićima; ovaj proces dovodi do stvaranja laktata i skladištenja energije u obliku ATP-a. Adrenalin uzrokuje ove efekte vezivanjem za specifična receptorska mjesta na površini mišića ili ćelija jetre.

Vezivanje adrenalina služi kao signal; ovaj signal se prenosi na unutrašnje dijelove ćelije i ovdje uzrokuje kovalentnu modifikaciju, pod utjecajem koje glikogen fosforilaza (prvi enzim u sistemu koji katalizuje pretvaranje glikogena u glukozu i druge produkte; odjeljak 9.22) prelazi iz manjeg nivoa. aktivni oblik u aktivniji (sl. 13-16).

Treći tip mehanizama koji reguliraju metabolizam povezan je s promjenom koncentracije ovog enzima u ćeliji. Koncentracija bilo kojeg enzima u bilo kojem trenutku određena je omjerom brzina njegove sinteze i raspada. Brzina sinteze nekih enzima pod određenim uslovima dramatično raste; u skladu s tim se povećava i koncentracija ovog enzima u ćeliji. Ako, na primjer, životinja dobije hranu bogatu ugljikohidratima, ali siromašnu proteinima, tada u jetri ima izuzetno nizak sadržaj enzima koji u normalnim uvjetima kataliziraju razgradnju aminokiselina do acetil-CoA. Budući da ovi enzimi praktički nisu potrebni uz takvu ishranu, oni se ne proizvode u velikim količinama. Vrijedi, međutim, životinju prebaciti na ishranu bogatu proteinima, a u roku od jednog dana u njenoj jetri značajno će se povećati sadržaj enzima, koji će sada biti potrebni za razgradnju probavljivih aminokiselina.

Rice. 13-16. Hormonska regulacija enzimske reakcije. Kao rezultat vezivanja hormona adrenalina na specifične receptore koji se nalaze na površini ćelija jetre, nastaje ciklički adenilat uz sudjelovanje enzima povezanog s membranom (adenilat ciklaza). Potonji djeluje kao alosterični aktivator, odnosno intracelularni medijator, pod čijim djelovanjem glikogen fosforilaza prelazi iz neaktivnog oblika u aktivni, što dovodi do ubrzanja konverzije glikogena jetre u glukozu u krvi. Ovaj metabolički put je detaljno opisan u Pogl. 25.

Rice. 13-17. indukcija enzima. Visoka intracelularna koncentracija supstrata A može stimulirati biosintezu enzima E1, E2 i E3. Sadržaj ovih enzima u ćeliji se povećava, pa je tako moguće ubrzati te reakcije, uslijed kojih se uklanja višak supstrata A. Višak supstrata A, dakle, služi kao signal za ćelijsko jezgro, prisiljavajući ga da "uključuje" gene koji kontroliraju stvaranje enzima El, E2 i E3. Uključivanje gena znači sintezu odgovarajuće RNK glasnika; ulazi u ribozome, a kao rezultat toga, u njima se vrši sinteza enzima E1, E2 i E3.

Ćelije jetre, dakle, imaju sposobnost uključivanja ili isključivanja biosinteze specifičnih enzima, ovisno o prirodi hranjivih tvari koje ulaze u njih. Ova pojava se naziva indukcija enzima (sl. 13-17).

U živim organizmima koji su u stalnom kontaktu i razmjeni sa okolinom dolazi do kontinuiranih kemijskih promjena koje čine njihov metabolizam (mnoge enzimske reakcije). Razmjer i smjer metaboličkih procesa su vrlo raznoliki. primjeri:

a) Broj ćelija E. coli u bakterijskoj kulturi može se udvostručiti za 2/3 za 20 minuta u jednostavnom mediju sa glukozom i neorganskim solima. Ove komponente se apsorbiraju, ali samo nekoliko ih oslobađa u okoliš rastućom bakterijskom stanicom, a sastoji se od otprilike 2,5 tisuća proteina, 1000 organskih spojeva, raznih nukleinskih kiselina u količini od 10-3 * 10 molekula. Očigledno, ove ćelije sudjeluju u grandioznom biološkom spektaklu, u kojem se planira isporuka ogromne količine biomolekula neophodnih za rast stanica. Ništa manje impresivan nije ni metabolizam odrasle osobe, koja održava istu težinu i sastav tijela oko 40 godina, iako za to vrijeme potroši oko 6 tona čvrste hrane i 37.850 litara vode. Sve tvari u tijelu se pretvaraju (složene u jednostavne i obrnuto) 2/3 serije uzastopnih spojeva, od kojih se svako naziva metabolit. Svaka transformacija je faza metabolizma.

Skup takvih uzastopnih faza kataliziranih pojedinačnim enzimima naziva se metabolički put. Iz ukupnosti figurativnih metaboličkih puteva, njihovog zajedničkog funkcioniranja, formira se metabolizam. To se provodi sekvencijalno, a ne nasumično (sinteza aminokiselina, razgradnja glukoze, masnih kiselina, sinteza purinskih baza). Znamo jako malo, pa je mehanizam delovanja lekovitih supstanci veoma transparentan!!!

Cijeli metabolički put je obično kontroliran prvim - drugim stupnjem metabolizma (ograničavajući faktor, enzimi sa alosteričnim centrom - regulatorno).

Takve faze se nazivaju ključnim, a metaboliti u tim fazama nazivaju se ključni metaboliti.

Metaboliti koji se nalaze na unakrsnim metaboličkim putevima nazivaju se nodalni metaboliti.

Postoje ciklični načini razmjene a) druga supstanca je obično uključena i nestaje b) ćelija se snalazi sa malom količinom metabolita - ušteda. Kontrolni putevi za konverziju esencijalnih nutrijenata

Albinizam endemska struma

homogeni pigment. do-taj tiroksin

melanin

Alcapturia

ugljični dioksid i voda

Metabolička regulacija

Svaka reakcija se odvija brzinom koja je srazmerna potrebama ćelije ("pametne" ćelije!). Ovi specifični određuju regulaciju metabolizma.

I. Regulacija brzine ulaska metabolita u ćeliju (na prijenos utiču molekuli vode i gradijent koncentracije).

a) jednostavna difuzija (na primjer, voda)

b) pasivni transport (bez potrošnje energije, kao što su pentoze)

c) aktivni transport (noseći sistem, ATP)

II. Kontrola količine određenih enzima Suzbijanje sinteze enzima krajnjim produktom metabolizma. Ovaj fenomen je gruba kontrola metabolizma, na primjer, sinteza enzima koji sintetiziraju GIS je potisnuta u prisustvu GIS-a u mediju, bakterijskoj kulturi. Gruba kontrola - s obzirom da se sprovodi dugo vremena dok se gotovi molekuli enzima ne unište. Indukcija jednog ili više enzima supstratima (povećanje koncentracije određenog enzima). Kod sisara, sličan fenomen se opaža nekoliko sati ili dana kasnije kao odgovor na induktor.

III. Kontrola katalitičke aktivnosti a) kovalentna (hemijska) modifikacija b) alosterična modifikacija (+/-) veze kako ona trenutno djeluje kao odgovor na promjenu unutarćelijske sredine. Ovi regulatorni mehanizmi su efikasni na ćelijskom i subćelijskom nivou, na međućelijskom i organskom nivou regulacije koju provode hormoni, neurotransmiteri, intracelularni medijatori i prostaglandini.

Metabolički putevi:

1) katabolički

2) anabolički

3) amfolitički (veže prva dva)

katabolizam- slijed enzimskih reakcija, uslijed kojih dolazi do uništenja uglavnom zbog reakcija oksidacije velikih molekula (ugljikohidrati, proteini, lipidi, nukleinske kiseline) s nastankom pluća (mliječne i octene kiseline, ugljičnog dioksida i vode) i oslobađanjem energije sadržane u kovalentnim vezama različitih spojeva, dio energije se pohranjuje u obliku makroergijskih veza, koje se zatim koriste za mehanički rad, transport tvari i biosintezu velikih molekula.

Postoje tri faze katabolizma:

Faza I - Varenje. Velike molekule hrane razgrađuju se u građevne blokove pod utjecajem probavnih enzima u gastrointestinalnom traktu, uz oslobađanje 0,5-1% energije sadržane u vezama.

Faza II - Ujedinjenje. Veliki broj proizvoda formiranih u fazi 1 daje u fazi 2 jednostavnije proizvode, čiji je broj mali, dok se oslobađa oko 30% energije. Ova faza je također vrijedna jer oslobađanje energije u ovoj fazi dovodi do sinteze ATP-a u anoksičnim (anaerobnim) uslovima, što je važno za organizam u uslovima hipoksije.

III stadijum - Krebsov ciklus. (trikarboksilne kiseline / limunska kiselina). U suštini, ovo je proces pretvaranja dvougljičnog spoja (octene kiseline) u 2 mola ugljičnog dioksida, ali ovaj put je vrlo složen, cikličan, multienzimski, glavni je snabdjevač elektrona u respiratornom lancu, i, shodno tome, molekule ATP-a u procesu oksidativne fosforilacije. Gotovo svi enzimi ciklusa nalaze se unutar mitohondrija, stoga donori elektrona TCA slobodno doniraju elektrone direktno u respiratorni lanac sistema mitohondrijske membrane.

Šema ciklusa trikarboksilne kiseline.

Sukcinil CoA - sadrži makroergijsku tioetersku vezu sposobnu da se transformiše u makroergijsku vezu GTP (fosforilacija supstrata).

FAD - prenosi elektrone na CoQ respiratornog lanca: elektron

alfaketoglutarat vodeni izocitrat

alfaketoglutarat sukcinil CoA CO2

Uz sve TTK je ujedno i 1. faza anabolizma.

1) različiti enzimski sistemi.

2) lokalizacija procesa je različita (na primjer, oksidacija masnih kiselina se događa u mitohondrijima, a sinteza se događa u citoplazmi).

3) različiti mehanizmi alosterične i genetske regulacije.

4) različit kvalitativni sastav krajnjih produkata anabolizma.

5) potrošnja energije tokom anabolizma i oslobađanje tokom kataba

U tijelu postoje i amfibolički putevi (istovremeno dolazi do procesa raspadanja i procesa sinteze). Najveća:

a) glikoliza fosfotrioze acetil CoA

b) CTK acetil CoA CO2 + H2O

Propadanje je uklonjeno, ali se iz mnogih TCA proizvoda mogu formirati različiti spojevi:

A) oksalosirćetna kiselina asp, asn, glu

B) alfaketoglutarat glu, hln, glu

C) limunska kiselina u citoplazmu acetil CoA

masna kiselina,

steroidi

D) sukcinil CoA hem

DINAMIČKA BIOHEMIJA

PoglavljeIV.8.

Metabolizam i energija

Metabolizam ili metabolizam – skup hemijskih reakcija u telu koje mu daju supstance i energiju neophodne za život. U metabolizmu se mogu razlikovati dvije glavne faze: pripremni - kada supstanca primljena prehrambenim putem prolazi kroz kemijske transformacije, uslijed kojih može ući u krvotok i potom prodrijeti u stanice, i stvarni metabolizam, tj. hemijske transformacije jedinjenja koja su prodrla u ćelije.

metabolički put - ovo je priroda i redoslijed kemijskih transformacija određene tvari u tijelu. Intermedijarni proizvodi koji nastaju tokom metabolizma nazivaju se metaboliti, a posljednji spoj metaboličkog puta je konačni proizvod.

Proces razlaganja složenih supstanci na jednostavnije naziva se katabolizam. Dakle, proteini, masti, ugljeni hidrati koji ulaze u hranu, pod dejstvom enzima digestivnog trakta, razlažu se na jednostavnije komponente (aminokiseline, masne kiseline i monosaharide). Ovo oslobađa energiju. Obrnuti proces, odnosno sinteza složenih jedinjenja iz jednostavnijih naziva se anabolizam . Dolazi sa energijom. Od aminokiselina, masnih kiselina i monosaharida nastalih kao rezultat probave, u stanicama se sintetiziraju novi ćelijski proteini, membranski fosfolipidi i polisaharidi.

Postoji koncept amfibolizam kada se jedno jedinjenje uništi, ali se sintetiše drugo.

metabolički ciklus je metabolički put, čiji je jedan od krajnjih proizvoda identičan jednom od spojeva uključenih u ovaj proces.

Privatni metabolički put je skup transformacija jednog specifičnog spoja (ugljikohidrata ili proteina). Uobičajeni metabolički put je kada su uključene dvije ili više vrsta spojeva (ugljikohidrati, lipidi i dijelom proteini uključeni u energetski metabolizam).

Supstrati metabolizma - jedinjenja koja dolaze iz hrane. Među njima su glavni nutrijenti (proteini, ugljikohidrati, lipidi) i manji, koji dolaze u malim količinama (vitamini, minerali).

Intenzitet metabolizma određen je potrebama ćelije za određenim supstancama ili energijom, regulacija se vrši na četiri načina:

1) Ukupna brzina reakcija određenog metaboličkog puta određena je koncentracijom svakog od enzima ovog puta, pH vrijednosti medija, intracelularnom koncentracijom svakog od međuprodukata, koncentracijom kofaktora i koenzima.

2) Aktivnost regulatornih (alosteričnih) enzima, koji obično kataliziraju početne faze metaboličkih puteva. Većina njih je inhibirana krajnjim proizvodom ovog puta i ova vrsta inhibicije se naziva "povratna informacija".

3) Genetska kontrola koja određuje brzinu sinteze određenog enzima. Živopisan primjer je pojava inducibilnih enzima u ćeliji kao odgovor na unos odgovarajućeg supstrata.

4) Hormonska regulacija. Brojni hormoni su sposobni da aktiviraju ili inhibiraju mnoge enzime metaboličkih puteva.

Živi organizmi su termodinamički nestabilni sistemi. Za njihovo formiranje i funkcioniranje potrebno je kontinuirano snabdijevanje energijom u obliku pogodnom za višestruku upotrebu. Da bi dobili energiju, gotovo sva živa bića na planeti su se prilagodila da hidroliziraju jednu od pirofosfatnih veza ATP-a. S tim u vezi, jedan od glavnih zadataka bioenergetike živih organizama je nadoknada iskorištenog ATP-a iz ADP-a i AMP-a.

Glavni izvor energije u ćeliji je oksidacija supstrata atmosferskim kisikom. Ovaj proces se izvodi na tri načina: dodavanje kisika atomu ugljika, eliminacija vodika ili gubitak elektrona. U stanicama se oksidacija odvija u obliku sekvencijalnog prijenosa vodika i elektrona sa supstrata na kisik. U ovom slučaju kisik igra ulogu redukcijskog spoja (oksidacijskog sredstva). Oksidativne reakcije se odvijaju oslobađanjem energije.Relativno male promjene energije karakteristične su za biološke reakcije. To se postiže cijepanjem procesa oksidacije u niz međufaza, što omogućava skladištenje u malim porcijama u obliku makroergijskih spojeva (ATP). Redukcija atoma kiseonika pri interakciji sa parom protona i elektrona dovodi do formiranja molekula vode.

tkivno disanje

To je proces potrošnje kisika stanicama tkiva tijela, koji je uključen u biološku oksidaciju. Ova vrsta oksidacije se naziva aerobna oksidacija . Ako konačni akceptor u lancu prijenosa vodika nije kisik, već druge tvari (na primjer, pirogrožđana kiselina), tada se ova vrsta oksidacije naziva anaerobni.

To. biološka oksidacija je dehidrogenacija supstrata uz pomoć srednjih nosača vodika i njegovog konačnog akceptora.

respiratorni lanac (enzimi tkivnog disanja) su prenosioci protona i elektrona iz oksidiranog supstrata u kisik. Oksidacijsko sredstvo je spoj sposoban da prihvati elektrone. Ova sposobnost je kvantifikovana redoks potencijal u odnosu na standardnu ​​vodoničnu elektrodu, čiji je pH jednak 7,0. Što je manji potencijal jedinjenja, to su njegova redukciona svojstva jača i obrnuto.

To. bilo koje jedinjenje može samo donirati elektrone spoju s većim redoks potencijalom. U respiratornom lancu svaka sljedeća karika ima veći potencijal od prethodne.

Lanac disanja se sastoji od:

1. NAD - zavisna dehidrogenaza;

2. FAD-ovisna dehidrogenaza;

3. Ubikinon (Ko Q);

4. Citohromi b , c , a + a 3 .

NAD zavisne dehidrogenaze . Sadrži kao koenzim IZNAD i NADP. Piridinski prsten nikotinamida je sposoban da veže elektrone i protone vodonika.

FAD i FMN zavisne dehidrogenaze sadrže kao koenzim fosforni estar vitamina B 2 ( FAD).

Ubikinon (Co Q ) uzima vodonik iz flavoproteina i pretvara se u hidrokinon.

Citohromi - hromoproteinski proteini sposobni da vežu elektrone zbog prisustva željeznih porfirina kao prostetičkih grupa u njihovom sastavu. Oni prihvataju elektron iz malo jačeg redukcionog sredstva i doniraju ga jačem oksidacionom agensu. Atom željeza je vezan za atom dušika imidazolnog prstena histidinske aminokiseline s jedne strane ravnine porfirinskog prstena, a s druge strane za atom sumpora metionina. Stoga je potencijalna sposobnost atoma gvožđa u citohromima da veže kiseonik je potisnuta.

AT citokrom c porfirinska ravan je kovalentno povezana sa proteinom preko dva cisteinska ostatka, a u cytochromesb i , nije kovalentno vezan sa proteinima.

AT citokrom a+a 3 (citokrom oksidaza) umjesto protoporfirina sadrži porfirin A, koji se razlikuje po nizu strukturnih karakteristika. Petu koordinacionu poziciju gvožđa zauzima amino grupa koja pripada ostatku amino šećera koji je deo samog proteina.

Za razliku od hema hemolgobina, atom željeza u citohromima može reverzibilno promijeniti iz dva u trovalentno stanje; to osigurava transport elektrona (vidi Dodatak 1 "Atomska i elektronska struktura hemoproteina" za više detalja).

Mehanizam rada lanca transporta elektrona

Vanjska membrana mitohondrija (slika 4.8.1) je propusna za većinu malih molekula i jona, dok je unutrašnja membrana propusna za gotovo sve jone (osim H protona) i većinu nenabijenih molekula.

Sve gore navedene komponente respiratornog lanca ugrađene su u unutrašnju membranu. Prijenos protona i elektrona duž respiratornog lanca osigurava razlika potencijala između njegovih komponenti. U ovom slučaju, svako povećanje potencijala za 0,16 V oslobađa energiju dovoljnu za sintezu jednog ATP molekula iz ADP i H 3 RO 4. Kada se potroši jedan molekul O2, 3 ATP.

Procesi oksidacije i stvaranja ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline tj. fosforilacija se odvija u mitohondrijima. Unutrašnja membrana formira mnoge nabore - kriste. Prostor je ograničen unutrašnjom membranom - matriksom. Prostor između unutrašnje i vanjske membrane naziva se intermembranska.

Takav molekul sadrži tri makroergijske veze. Makroergijski ili bogata energijom je hemijska veza, nakon čijeg prekida se oslobađa više od 4 kcal/mol. Tokom hidrolitičke razgradnje ATP-a do ADP-a i fosforne kiseline, oslobađa se 7,3 kcal/mol. Tačno isto toliko se troši na stvaranje ATP-a iz ADP-a i ostatka fosforne kiseline, a to je jedan od glavnih načina skladištenja energije u tijelu.

U procesu transporta elektrona duž respiratornog lanca oslobađa se energija koja se troši na dodavanje ostatka fosforne kiseline ADP-u kako bi se formirala jedna molekula ATP-a i jedna molekula vode. U procesu prijenosa jednog para elektrona duž respiratornog lanca oslobađa se 21,3 kcal/mol koji se pohranjuje u obliku tri ATP molekula. To je oko 40% energije oslobođene tokom elektronskog transporta.

Ovaj način skladištenja energije u ćeliji naziva se oksidativna fosforilacija ili spregnuta fosforilacija.

Molekularni mehanizmi ovog procesa najpotpunije su objašnjeni Mičelovom hemoosmotskom teorijom, iznesenom 1961.

Mehanizam oksidativne fosforilacije (sl.4.8.2.):

1) NAD-zavisna dehidrogenaza nalazi se na površini matriksa unutrašnje membrane mitohondrija i donira par vodoničnih elektrona FMN-zavisnoj dehidrogenazi. U ovom slučaju, par protona također prelazi iz matrice u FMN i kao rezultat nastaje FMN H2. U ovom trenutku, par protona koji pripadaju NAD-u se potiskuje u intermembranski prostor.

2) FAD-ovisna dehidrogenaza donira par elektrona Co Q i gura nekoliko protona u intermembranski prostor. Primivši elektrone Q prihvata nekoliko protona iz matrice i pretvara se u Co Q H 2 .

3) Co Q H 2 gura par protona u intermembranski prostor, a par elektrona se prenosi na citohrome, a zatim na kiseonik da bi formirao molekul vode.

Kao rezultat toga, kada se par elektrona prenosi duž lanca od matrice do intermembranskog prostora, pumpa se 6 protona (3 para), što dovodi do stvaranja razlike potencijala i pH razlike između površina unutrašnjeg sloja. membrana.

4) Razlika potencijala i pH razlika osiguravaju kretanje protona kroz protonski kanal natrag do matriksa.

5) Ovo obrnuto kretanje protona dovodi do aktivacije ATP sintaze i sinteze ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline. Prijenosom jednog para elektrona (tj. tri para protona) sintetišu se 3 ATP molekula (slika 4.7.3.).

Odvajanje procesa disanja i oksidativne fosforilacije nastaje kada protoni počnu prodirati u unutrašnju membranu mitohondrija. U ovom slučaju, pH gradijent se smanjuje i pokretačka sila fosforilacije nestaje. Hemijske supstance - rastavljači se nazivaju protonofori, oni su u stanju da prenesu protone kroz membranu. To uključuje 2,4-dinitrofenol, tiroidni hormoni itd. (Slika 4.8.3.).

Nastali ATP se prenosi iz matriksa u citoplazmu pomoću enzima translokaze, dok se jedna molekula ADP i jedna molekula fosforne kiseline prenose u matriks u suprotnom smjeru. Jasno je da kršenje transporta ADP-a i fosfata inhibira sintezu ATP-a.

Brzina oksidativne fosforilacije ovisi prvenstveno o sadržaju ATP-a, što se brže troši, što se više ADP akumulira, to je veća potreba za energijom, a samim tim i aktivniji je proces oksidativne fosforilacije. Regulacija brzine oksidativne fosforilacije koncentracijom ADP u ćeliji naziva se respiratorna kontrola.

LITERATURA ZA POGLAVLJE IV.8.

1. Biševski A. Š., Tersenov O. A. Biohemija za doktora // Ekaterinburg: Uralski radnik, 1994, 384 str.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Biološka hemija. - M.: Više. škola 1998, 479 str.;

3. Lehninger A. Biochemistry. Molekularne osnove strukture i funkcije ćelije // M.: Mir, 1974, 956 str.;

4. Pustovalova L.M. Radionica o biohemiji // Rostov na Donu: Phoenix, 1999, 540 str.;

5. Stepanov V. M. Molekularna biologija. Struktura i funkcije proteina // M.: Vysshaya shkola, 1996, 335 str.;

Moskovska medicinska akademija nazvana po I.M. Sechenov

Katedra za opštu hemiju

Apstraktni rad №1

Studenti 1. godine grupe 9

Dopisni odsek Fakulteta VSO

Romashkova Ekaterina Dmitrievna

Moskva 2010

Mehanizmi regulacije metaboličkih procesa

Aktivnost svih metaboličkih puteva se stalno reguliše, čime se osigurava da sinteza i razgradnja metabolita odgovara fiziološkim potrebama organizma. U ovom dijelu razmatraju se mehanizmi takve regulacije. Detaljnije su predstavljena pitanja regulacije ćelijskog metabolizma.Protok metabolita u metabolizmu determinisan je prvenstveno aktivnošću enzimi.Da bi se uticalo na jedan ili drugi put, dovoljno je regulisati aktivnost enzima koji katalizuje najsporiji korak. Ovi enzimi se nazivaju ključni enzimi nalaze se u većini metaboličkih puteva. Aktivnost ključnog enzima regulirana je na tri nezavisna nivoa,

kontrola transkripcije. Kontrola biosinteza enzima(1) sprovedeno na genetskom nivou. Prije svega, riječ je o sintezi odgovarajuće mRNA (mRNA), kao i transkripcije gen koji kodira enzim, tj. o regulacija transkripcije.Učestvovao u ovom procesu regulatorni proteini(RP) (transkripcijski faktori), čije je djelovanje usmjereno direktno na DNK. Osim toga, postoje posebni regulatorni regioni u genima - promoteri- i mjesta vezivanja regulatornih proteina (regulatorni elementi). Na efikasnost ovih proteina utiču metaboliti ili hormoni. Govore o tome da li ovaj mehanizam pojačava sintezu enzima indukcija, ako smanjuje ili potiskuje - oh represija. Procesi indukcije i represije se sprovode samo u određenom vremenskom periodu.

Interkonverzija. Značajno brža od kontrole transkripcije je međukonverzija ključnih enzima (2). U ovom slučaju, enzim je prisutan u ćeliji u neaktivnom obliku. Uz metaboličku potrebu za signalom izvana i uz posredovanje drugog glasnika aktivirajući enzim(E 1) pretvara ključni enzim u katalitički aktivan oblik. Ako nestane potreba za ovim metaboličkim putem, inaktivirajući enzim(E 2) pretvara ključni enzim nazad u neaktivan oblik. Proces međukonverzije u većini slučajeva se sastoji u ATP-ovisna fosforilacija enzimskih proteina protein kinaza i, shodno tome, defosforilacija fosfataza.U većini slučajeva, fosforilirani oblik enzima je aktivniji, ali ima i suprotnih slučajeva.

modulacija ligandima. Važan parametar koji kontroliše tok metaboličkog puta je potreba za prvim reagensom (ovde je to metabolit A). Dostupnost metabolita A raste sa povećanjem aktivnosti metaboličkog puta (3) u kojem se A formira, a smanjuje se sa povećanjem aktivnosti drugih puteva (4) u kojima se A troši. Dostupnost A može biti ograničena zbog njegovog transporta u druge dijelove ćelije.

Često je i ograničavajući faktor dostupnost koenzima(5). Ako se koenzim regeneriše putem drugog nezavisnog puta, ovaj put može ograničiti brzinu glavne reakcije. Tako se, na primjer, glikoliza i ciklus citrata regulišu dostupnošću NAD +. Pošto se NAD + regeneriše u respiratornom lancu, potonji reguliše katabolizam glukoze i masnih kiselina. Konačno, aktivnost ključnog enzima može se regulisati ligand(supstrat, krajnji proizvod reakcije, koenzim, drugi efektor) kao alosterični efektor vezivanjem ne na samom aktivnom mestu, već na drugom mestu enzima, i kao rezultat toga dolazi do promene enzimske aktivnosti. Inhibiciju ključnog enzima često izazivaju krajnji proizvodi reakcije odgovarajućeg metaboličkog lanca ( inhibicija po vrsti povratne informacije) ili metabolit uključen u drugi put. Prvi reaktant reakcionog lanca takođe može stimulisati aktivaciju enzima.

Hormonska regulacija metabolizma

Enzimski katalizirana aktivacija i, shodno tome, inaktivacija ključnih enzima srednjeg metabolizma nazivaju se međukonverzije. Takvi procesi su pod različitim kontrolama, uključujući i hormonsku. Ovaj dio govori o procesima međupretvorbe koji reguliraju metabolizam glikogena u jetri.

A. Hormonska regulacija razgradnje glikogena

Glikogen služi kao rezerva ugljikohidrata u tijelu, iz kojih se cijepanjem brzo stvara glukozni fosfat u jetri i mišićima. glikogen fosforilaze(na slici dolje lijevo). Oba enzima djeluju na površini nerastvorljivih glikogenskih čestica, gdje, ovisno o stanju metabolizma, mogu biti u aktivnom ili neaktivnom obliku. Prilikom posta ili u stresnim situacijama (hrvanje, trčanje) povećava se potreba organizma za glukozom. U takvim slučajevima dolazi do oslobađanja hormona adrenalin i glukagon. Oni aktiviraju razgradnju i inhibiraju sintezu glikogena. Adrenalin djeluje na mišiće i jetru, dok glukagon djeluje samo na jetru.

Oba hormona se vezuju za receptori na plazma membrani (1) i aktivira se preko G-proteina adenilat ciklaza(2), koji katalizuje sintezu 3",5"-ciklo-AMP (cAMP) iz ATP-a (ATP). Ogledalo suprotno je efekat na ovo “ sekundarni glasnik » fosfodiesteraza cAMP (3), hidrolizujući cAMP u AMP (AMP). U jetri, diesteraza se inducira insulinom, koji stoga ne ometa delovanje druga dva hormona (nisu prikazani). cAMP se veže i time aktivira protein kinaza A(4), koji djeluje u dva smjera: s jedne strane, uz pomoć fosforilacija uz učešće ATP-a kao koenzima, on se prevodi u neaktivni D-oblik glikogen sintaza i posljedično zaustavlja sintezu glikogena (5); s druge strane, aktivira - također fosforilacijom - drugu protein kinazu, fosforilaza kinaza(osam). Aktivna fosforilaza kinaza fosforilira neaktivni b-oblik glikogen fosforilaze, pretvarajući ga u aktivni a-oblik (7). To dovodi do oslobađanja glukoza-1-fosfata iz glikogena (8), koji se nakon konverzije u glukoza-6-fosfat uz učešće fosfoglukomutaze uključuje u glikolizu (9). Osim toga, u jetri se stvara slobodna glukoza koja ulazi u krv (10).

Kako se nivoi cAMP-a smanjuju, oni se aktiviraju fosfoprotein fosfataza(11), koji defosforiliraju različite fosfoproteine ​​opisane kaskade i na taj način zaustavljaju razgradnju glikogena i pokreću njegovu sintezu. Ovi procesi se odvijaju u roku od nekoliko sekundi, tako da se metabolizam glikogena brzo prilagođava promenjenim uslovima.

B. Interkonverzija glikogen fosforilaze

Strukturne promjene koje prate interkonverzije glikogen fosforilaze utvrđene su analizom rendgenske difrakcije. Enzim je dimer sa simetrijom drugog reda. Svaka podjedinica ima aktivno mjesto, koje se nalazi unutar proteina i u b-obliku je slabo dostupno supstratu. Razmjena počinje sa fosforilacija serinskog ostatka(Ser-14) blizu N-terminusa svake od podjedinica. Ostaci arginina susjednih podjedinica vezuju se za fosfatne grupe. Vezivanje inicira konformacijske rearanžmane koje značajno povećavaju afinitet enzima za alosterični AMP aktivator. Djelovanje AMP-a i učinak konformacijskih promjena na aktivnim mjestima dovode do pojave aktivnijeg α-forme. Nakon uklanjanja fosfatnih ostataka, enzim spontano preuzima originalnu b-konformaciju.

Hormonska regulacija metabolizma masnih kiselina

hormonska regulacija enzima metabolizma

adrenalina i glukagona aktiviraju intracelularnu lipazu. Djelovanje ovih hormona je posredovano kaskadom reakcija adenilat ciklaze, počevši od aktivacije adenilat ciklaze i završavajući fosforilacijom lipaze, koja tada postaje aktivna i cijepa esterske veze u TAG. Glicerol kao supstanca rastvorljiva u plazmi transportuje se u jetru, gde se koristi u reakcijama glukoneogeneze. Masna kiselina transportuju se krvlju u obliku kompleksa sa serumskim albuminom do različitih organa i tkiva, gdje se uključuju u proces oksidacije.

Hormonska regulacija Metabolizam proteina osigurava dinamičku ravnotežu njihove sinteze i raspadanja.

· Anabolizam proteina kontrolišu hormoni adenohipofize ( hormon rasta), pankreas ( insulin), muške spolne žlijezde ( androgen). Jačanje anaboličke faze metabolizma proteina sa viškom ovih hormona izražava se u povećanom rastu i debljanju. Nedostatak anaboličkih hormona uzrokuje usporavanje rasta kod djece.

· Katabolizam proteina regulišu tiroidni hormoni tiroksin i trijodtironon), kortikalni ( glukokortikoidi) i cerebralni ( adrenalin) tvari nadbubrežnih žlijezda. Višak ovih hormona pojačava razgradnju proteina u tkivima, što je praćeno iscrpljivanjem i negativnim balansom dušika. Nedostatak hormona, na primjer, štitne žlijezde prati gojaznost.