Актуальная Медицина - Энергетический обмен: основные энергетические процессы и их регуляция

Это важно.

Мы предлагаем удобный сервис для тех, кто хочет купить – продать: земельный участок, дом, квартиру, коммерческую или элитную недвижимость в Крыму. http://crimearealestat.ucoz.ru/ Перепечатка материалов разрешена только при условии прямой гиперссылки http://allmedicine.ucoz.com/

Поиск

Реклама

Statistics


Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей: 0

Нас смотрят

free counters

Ссылки.

Мы предлагаем удобный сервис для тех, кто хочет купить – продать: земельный участок, дом, квартиру, коммерческую или элитную недвижимость в Крыму. http://crimearealestat.ucoz.ru/

Чат

Энергетический обмен: основные энергетические процессы и их регуляция



Введение
 Любая биологическая система считается живой, когда она обладает не только специфической структурой, но и характеризуется динамическим состоянием. Чтобы клетка оставалась способной к нормальной жизнедеятельности, в ней постоянно должны функционировать сотни ферментов, транспортных белков - мембранных насосов, каждый из которых использует энергию АТФ для своей работы. В любой клетке происходят процессы превращения, использования энергии, причем значительная часть этой энергии применяется как для обеспечения специфической активности клетки, так и на поддержание состояния жизни в ней.
 Возникновение более сложной структурной организации требует увеличения продукции и более эффективных систем энергетического обмена. Нарушения в работе этих систем неизбежно приводят к нарушению функции, как отдельных клеток, так и организма в целом.

Пути энергетического обмена в клетке
 Метаболические процессы в организме принято разделять на две группы [2, 4, 5]:
1. Анаболизм – процессы синтеза различных структур и отдельных специфических для организма молекул. Синонимичное значение имеет понятие пластического обмена.
2. Катаболизм – распад поглощенных с пищей веществ, а также собственных структур организма. Катаболизм не обязательно сопровождается высвобождением энергии, и не всегда высвобождаемая энергия может быть зафиксирована в макроэргических соединениях (АТФ, ГТФ, креатинфосфат и другие).
 Энергетический обмен состоит в расщеплении органических соединений, которое сопровождается синтезом макроэргических молекул. Энергетический обмен – не синоним катаболизма, а его функциональная часть.
 Общая схема энергетического обмена изображена на рис.1. В ней можно условно выделить 3 этапа:
1. Расщепление макромолекул на субъединицы.
2. Образование ацетил-КоА (сопровождается синтезом незначительного количества АТФ и НАД*Н).
3. Полное окисление исходного органического субстрата, образование НАД*Н и последующее использование накопленной в нем энергии для синтеза АТФ.
 В качестве первичных источников энергии выступают все три основных типа органических молекул: углеводы, жиры и белки. На первых двух этапах энергетического обмена в организме проходят три параллельных и взаимно компенсируемых каскада реакций (см. схему). Однако полное окисление органического субстрата и утилизация НАД*Н производятся только митохондриями, в рамках реакций цикла Кребса и электрон-транспортной цепи. Продукты всех трех путей начального расщепления органических молекул неизбежно сходятся в одну систему, где и претерпевают полное окисление.
 Реакции первой стадии могут производиться различными способами в зависимости от путей поступления питательных веществ:
1. В случае поступления с пищей, макромолекулы расщепляются ферментами пищеварительной системы.
2. Скавенджинг (расщепление и рециклизацию) собственных структур организма (погибшие клетки, разрушенные структуры внеклеточного матрикса) обеспечивают клетки скавенджер-системы: макрофаги и нейтрофилы.
3. Расщепление депонированных молекул (гликоген в печени и в мышцах, жиры в адипоцитах) производят соответствующие внутриклеточные гидролитические ферменты.

 Полученные из этих трех источников вещества: моносахариды, жирные кислоты и аминокислоты – в дальнейшем вступают во внутриклеточные каскады метаболических реакций.
.

 В рамках данного обзора мы не будем подробно останавливаться на отдельных этапах обсуждаемых ферментативных каскадов. Нас интересуют лишь ключевые особенности каждого из этих процессов. Все каскады реакций будут рассматриваться с точки зрения потребления и продукции веществ 4 принципиальных групп, участвующих в энергетическом обмене:
1. Первичный субстрат: глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты и т.д.
2. Ацетил-КоА – универсальный переносчик органического углерода в клетке, используемый как в цикле Кребса, так и в глюконеогенезе и ряде других процессов. Помимо ацетильной группы, кофермент А может переносить также остатки других органических кислот: в виде ацильной, малонильной групп и т.д. – благодаря чему вовлекается в самые различные процессы биосинтеза в клетке.
3. НАД*Н и ФАД*Н2 – универсальные переносчики электронов, как для электронтранспортной цепи, так и для множества биосинтетических процессов в клетке. В окисленной форме (НАД+, ФАД) они готовы к приему электронов и протонов, в восстановленной форме – переносят по 2 электрона и 1 (НАД*Н) или 2 протона (ФАД*Н2).
4. АТФ и ГТФ – цель и конечный продукт энергетического обмена, универсальные переносчики энергии в клетке.
 Самым важным на второй стадии энергетического обмена традиционно считается гликолиз. Этот процесс эволюционно наиболее древний, протекает с той или иной интенсивностью постоянно и во всех клетках.
 Конечным продуктом этого процесса считается пируват (ион пировиноградной кислоты). Однако он не задействован напрямую в цикле Кребса: после транспорта в митохондрию он используется для синтеза ацетил-КоА пируватдекарбоксилазой – и именно ацетил-КоА поступает на вход цикла Кребса.
Ключевые характеристики гликолиза:
вход – 1 моль глюкозы;
выход – 2 моль АТФ, 2 моль НАД*Н, 2 моль ацетил-КоА.
 В процессе гликолиза образуется некоторое количество АТФ, который может сразу использоваться клеткой для своих потребностей. Ацетил-КоА направляется в цикл Кребса, а НАД*Н утилизируется либо в электронтранспортной цепи митохондрий (см. далее), либо участвует в процессах биосинтеза тех или иных соединений.

 Следующим за гликолизом этапом энергетического обмена выступает цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Ферменты и кислоты цикла Кребса хорошо изучены и изложены в учебниках по биохимии. 
Ключевые характеристики каскада (на 1 моль глюкозы):
вход – 2 моль ацетил-КоА;
выход – 6 моль НАД*Н, 2 моль ФАД*Н2, 2 моль ГТФ.
 На выходе цикла Кребса исходный органический субстрат уже окончательно окислен, однако основная часть полученной энергии находится не в форме АТФ или ГТФ, а запасена в высокоэнергетических электронах НАД*Н и ФАД*Н2.

 Утилизация этих соединений обеспечивается в электронтранспортной цепи (на 1 моль глюкозы):
вход – 6 моль НАД*Н, 2 моль ФАД*Н2;
выход – 32 моль АТФ.
 Этот каскад реакций – единственный, собственно аэробный, непосредственно зависимый от кислорода процесс в рамках энергетического метаболизма человеческой клетки. Все остальные ферментативные каскады лишь опосредованно зависят от кислорода – через свою функциональную связь с электронтраспортной цепью. Цикл Кребса сам по себе не может быть источником макроэргических соединений, он выступает исключительно как донор электронов для электронтранспортной цепи. Его можно характеризовать как предварительный этап. Обычно эти два реакционных каскада рассматривают в комплексе, сумму реакций в них называют окислительным фосфорилированием.
 
Электронтранспортная цепь состоит из трех больших ферментных комплексов:
1. НАД*Н-дегидрогеназный комплекс, содержащий железо-серные белки, флавин и Убихинон.
2. Комплекс цитохромов b-c1, функциональные группы которых содержат гем и атомы железа.
3. Цитохромоксидазный комплекс, содержащий цитохромы, а также атомы меди в активных центрах.
 Перечисленные переносчики электронов чувствительны к воздействию различных токсинов, содержащих функциональные группы с кислородом (альдегиды и другие продукты перекисного окисления) и азотом (азид, цианид). Убихинон и флавин, помимо участия в энергетическом обмене, также играют важную роль в системе антиоксидантной защиты.
 В процессе переноса электронов их энергия используется для создания протонного градиента, которая используется в дальнейшем протонной АТФ-синтетазой митохондрий, для синтеза АТФ 

"Резервные" пути энергетического метаболизма.

1. Катаболизм липидов.
 Не только расщепление углеводов в процессе гликолиза может быть источником ацетил-КоА для цикла Кребса. Второй путь получения этого соединения – β-окисление липидов. В этом процессе ацетил-КоА-синтетаза последовательно отщепляет от жирной кислоты двухуглеродные фрагменты и перемещает их на НS-КоА. 
Ключевые характеристики этой реакции таковы:
вход – 1 моль жирных кислот с 2n углеродов в цепи;
выход – n моль ацетил-КоА.
 Основным путем получения ацетил-КоА в клетке традиционно считается гликолиз. Реальное соотношение гликолиза и β-окисления в энергетическом обеспечении различных клеток может существенно различаться. Главыным депо энергии в организме выступает жировая ткань, а β-окисление-магистральный путь получения энергии. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе «Регуляция энергетического обмена».

2. Катаболизм аминокислот.
 Помимо катаболизма жирных кислот, при дефиците или нарушении обмена глюкозы активируется катаболизм аминокислот. Продукты их дезаминирования либо включаются в цикл Кребса, либо могут быть использованы для глюконеогенеза. Последний путь – основа энергообеспечения нервной ткани в условиях дефицита глюкозы. Поскольку нейроны способны расщеплять только углеводы, глюконеогенез в печени может играть существенную роль в их питании.
 Использование аминокислот в качестве субстрата для энергетического обмена – это резервный механизм синтеза макроэргических соединений. Он актуален в случаях нехватки других энергетических субстратов. Поскольку аминокислоты не депонируются в организме, то этот путь зачастую обеспечивается за счет разрушения собственных структур организма, в первую очередь мышечных белков. Расщепление аминокислот сопровождается образованием токсичного аммиака, как промежуточного продукта азотного метаболизма. Конечным продуктом белкового обмена у человека выступает мочевина. Она синтезируется в печени в орнитиновом цикле: для образования 1 моль мочевины используется 2 моль АТФ. Таким образом, итоговый энергетический выход катаболизма аминокислот невелик (зависит от конкретной аминокислоты), а сам процесс сопровождается дополнительной функциональной нагрузкой на печень и почки.

3. Молочнокислое брожение.
 Образующийся при гликолизе и в цикле Кребса НАД*Н, играет важнейшую роль во всем процессе энергетического обмена, выступая донором электронов для электронтранспортной цепи митохондрий. В условиях дефицита кислорода, активность митохондрий резко снижается, происходит накопление НАД*Н ( соединение является сильным восстановителем). Его избыток опасен для клетки и требует скорейшей утилизации по тем или иным альтернативным механизмам. В условиях гипоксии многие ткани используют имеющийся в наличии кислород и образующийся при гликолизе пируват для утилизации НАД*Н и синтеза лактата (иона молочной кислоты). Этот завершающий этап молочнокислого брожения производится лактатдегидрогеназой. Очевидно, что такой путь существенно менее эффективен по сравнению с аэробным окислением: энергетический выход молочнокислого брожения составляет лишь 2 моль АТФ на 1 моль глюкозы.
 Полное окисление органических молекул происходит только в одной метаболической системе, которая состоит из последовательности этапов цикла Кребса и электронтранспортной цепи. Накопление субстрата для этой системы может производиться сразу несколькими путями, в значительной степени взаимозаменяемыми. При нарушении тех или иных начальных звеньев энергетического метаболизма их недостаточность успешно компенсируется альтернативными путями: если нарушения происходят в системе цикла Кребса и (или) электронтранспортной цепи, то в такой ситуации эффективные компенсаторные механизмы в организме отсутствуют! Лишь отчасти эту роль может выполнять молочнокислое брожение.
 Энергетическая система клетки в некотором смысле подобна плотине гидроэлектростанции. Пополнение запасов ацетил-КоА и НАД*Н может производиться из нескольких источников. Это необходимо для эффективного функционирования конечных этапов энергетического обмена. "Турбинный механизм» у такой внутриклеточной гидроэлектростанции один - электронтранспортная цепь. Его поломка неизбежно сводит на нет эффективность всех промежуточных ферментативных каскадов энергетического обмена, а накопление промежуточных продуктов, еще больше углубляет возникшие нарушения.


Раскрутка сайта - регистрация в каталогах PageRank Checking Icon Яндекс цитирования