Обмен веществ в клетке


Обмен веществ — Википедия

Метаболи́зм, или обме́н веще́ств — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Метаболизм обычно делят на 2 стадии: катаболизм и анаболизм. В ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых, обычно выделяя энергию. А в процессах анаболизма — из более простых синтезируются более сложные вещества и это сопровождается затратами энергии.

Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями. В них, при участии ферментов, одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие.

Ферменты играют важную роль в метаболических процессах, потому что:

  • действуют как биологические катализаторы и снижают энергию активации химической реакции;
  • позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток.

Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определённая молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных[1]. Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма.

Основные метаболические пути и их компоненты одинаковы для многих видов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых существ[2]. Например, некоторые карбоновые кислоты, являющиеся интермедиатами цикла трикарбоновых кислот, присутствуют во всех организмах, начиная от бактерий и заканчивая многоклеточными организмами эукариот[3]. Сходства в обмене веществ, вероятно, связаны с высокой эффективностью метаболических путей, а также с их ранним появлением в истории эволюции[4][5].

Органические вещества, входящие в состав всех живых существ (животных, растений, грибов и микроорганизмов), представлены в основном аминокислотами, углеводами, липидами (часто называемые жирами) и нуклеиновыми кислотами. Так как эти молекулы имеют важное значение для жизни, метаболические реакции сосредоточены на создании этих молекул при строительстве клеток и тканей или разрушении их с целью использования в качестве источника энергии. Многие важные биохимические реакции объединяются вместе для синтеза ДНК и белков.

Аминокислоты и белки[править | править код]

Белки являются биополимерами и состоят из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Некоторые белки являются ферментами и катализируют химические реакции. Другие белки выполняют структурную или механическую функцию (например образуют цитоскелет).[6] Белки также играют важную роль в передаче сигнала в клетках, иммунных реакциях, агрегации клеток, активном транспорте через мембраны и регуляции клеточного цикла.[7]

Липиды[править | править код]

Липиды входят в состав биологических мембран, например плазматических мембран, являются компонентами коферментов и источниками энергии.[7] Липиды являются гидрофобными или амфифильными биологическими молекулами, растворимыми в органических растворителях, таких как бензол или хлороформ.[8]Жиры — большая группа соединений, в состав которых входят жирные кислоты и глицерин. Молекула трёхатомного спирта глицерина, образующая три сложные эфирные связи с тремя молекулами жирных кислот, называется триглицеридом.[9] Наряду с остатками жирных кислот, в состав сложных липидов может входить, например, сфингозин (сфинголипиды), гидрофильные группы фосфатов (в фосфолипидах). Стероиды, например холестерол, представляют собой ещё один большой класс липидов.[10]

Углеводы[править | править код]

Сахара могут существовать в кольцевой или линейной форме в виде альдегидов или кетонов, имеют несколько гидроксильных групп. Углеводы являются наиболее распространёнными биологическими молекулами. Углеводы выполняют следующие функции: хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген), структурная (целлюлоза растений, хитин у грибов и животных).[7] Наиболее распространёнными мономерами сахаров являются гексозы — глюкоза, фруктоза и галактоза. Моносахариды входят в состав более сложных линейных или разветвлённых полисахаридов.[11]

Нуклеотиды[править | править код]

Полимерные молекулы ДНК и РНК представляют собой длинные неразветвлённые цепочки нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты выполняют функцию хранения и реализации генетической информации, которые осуществляются в ходе процессов репликации, транскрипции, трансляции и биосинтеза белка.[7] Информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, защищается от изменений системами репарации и мультиплицируется при помощи репликации ДНК.

Некоторые вирусы имеют РНК-содержащий геном. Например, вирус иммунодефицита человека использует обратную транскрипцию для создания матрицы ДНК из собственного РНК-содержащего генома.[12] Некоторые молекулы РНК обладают каталитическими свойствами (рибозимы) и входят в состав сплайсосом и рибосом.

Нуклеозиды — продукты присоединения азотистых оснований к сахару рибозе. Примерами азотистых оснований являются гетероциклические азотсодержащие соединения — производные пуринов и пиримидинов. Некоторые нуклеотиды также выступают в качестве коферментов в реакциях переноса функциональных групп.[13]

Коферменты[править | править код]

Метаболизм включает широкий спектр химических реакций, большинство из которых относится к нескольким основным типам реакций переноса функциональных групп.[14] Для переноса функциональных групп между ферментами, катализирующими химические реакции, используются коферменты.[13] Каждый класс химических реакций переноса функциональных групп катализируется отдельными ферментами и их кофакторами.[15]

Аденозинтрифосфат (АТФ) — один из центральных коферментов, универсальный источник энергии клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии, запасённой в макроэргических связях, между различными химическими реакциями. В клетках существует небольшое количество АТФ, который постоянно регенерируется из AДФ и AМФ. Организм человека за сутки расходует массу АТФ, равную массе собственного тела.[15] АТФ выступает в качестве связующего звена между катаболизмом и анаболизмом: при катаболических реакциях образуется АТФ, при анаболических — энергия потребляется. АТФ также выступает донором фосфатной группы в реакциях фосфорилирования.

Витамины — низкомолекулярные органические вещества, необходимые в небольших количествах, причём, например, у человека большинство витаминов не синтезируется, а получается с пищей или через микрофлору ЖКТ. В организме человека большинство витаминов являются кофакторами ферментов. Большинство витаминов приобретает биологическую активность в изменённом виде, например, все водорастворимые витамины в клетках фосфорилируются или соединяются с нуклеотидами.[16]Никотинамидадениндинуклеотид (NADH) является производным витамина B3 (ниацина) и представляет собой важный кофермент — акцептора водорода. Сотни различных ферментов дегидрогеназ отнимают электроны из молекул субстратов и переносят их на молекулы NAD+, восстанавливая его до NADH. Окисленная форма кофермента является субстратом для различных редуктаз в клетке.[17] NAD в клетке существует в двух связанных формах — NADH и NADPH. NAD+/NADH больше важен для протекания катаболических реакций, а NADP+/NADPH чаще используется в анаболических реакциях.

Структура гемоглобина. Белковые субъединицы окрашены красным и синим, а железосодержащий гем — зелёным. Из PDB 1GZX

Неорганические вещества и кофакторы[править | править код]

Неорганические элементы играют важнейшую роль в обмене веществ. Около 99 % массы млекопитающего состоит из углерода, азота, кальция, натрия, магния, хлора, калия, водорода, фосфора, кислорода и серы.[18] Биологически значимые органические соединения (белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты) содержат большое количество углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора.[18]

Многие неорганические соединения являются ионными электролитами. Наиболее важны для организма ионы натрия, калия, кальция, магния, хлоридов, фосфатов и гидрокарбонатов. Баланс этих ионов внутри клетки и во внеклеточной среде определяет осмотическое давление и pH.[19] Концентрации ионов также играют важную роль для функционирования нервных и мышечных клеток. Потенциал действия в возбудимых тканях возникает при обмене ионами между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой.[20] Электролиты входят и выходят из клетки через ионные каналы в плазматической мембране. Например, в ходе мышечного сокращения в плазматической мембране, цитоплазме и Т-трубочках перемещаются ионы кальция, натрия и калия.[21]

Переходные металлы в организме являются микроэлементами, наиболее распространены цинк и железо.[22][23] Эти металлы используются некоторыми белками (например ферментами в качестве кофакторов) и имеют важное значение для регуляции активности ферментов и транспортных белков.[24] Кофакторы ферментов обычно прочно связаны со специфическим белком, однако могут модифицироваться в процессе катализа, при этом после окончания катализа всегда возвращаются к своему первоначальному состоянию (не расходуются). Металлы-микроэлементы усваиваются организмом при помощи специальных транспортных белков и не встречаются в организме в свободном состоянии, так как связаны со специфическими белками-переносчиками (например ферритином или металлотионеинами).[25][26]

Классификация организмов по типу метаболизма[править | править код]

Все живые организмы можно разделить на восемь основных групп в зависимости от используемого: источника энергии, источника углерода и донора электронов (окисляемого субстрата)[27].

  1. В качестве источника энергии живые организмы могут использовать: энергию света (фото-) или энергию химических связей (хемо-). Дополнительно для описания паразитических организмов, использующих энергетические ресурсы хозяйской клетки, применяют термин паратроф.
  2. В качестве донора электронов (восстановителя) живые организмы могут использовать: неорганические вещества (лито-) или органические вещества (органо-).
  3. В качестве источника углерода живые организмы используют: углекислый газ (авто-) или органические вещества (гетеро-). Иногда термины авто- и гетеротроф используют в отношении других элементов, которые входят в состав биологических молекул в восстановленной форме (например азота, серы). В таком случае «автотрофными по азоту» организмами являются виды, использующие в качестве источника азота окисленные неорганические соединения (например растения; могут осуществлять восстановление нитратов). А «гетеротрофными по азоту» являются организмы, не способные осуществлять восстановление окисленных форм азота и использующие в качестве его источника органические соединения (например животные, для которых источником азота служат аминокислоты).

Название типа метаболизма формируется путём сложения соответствующих корней и добавлением в конце корня -троф-. В таблице представлены возможные типы метаболизма с примерами[28]:

Источник
энергии
Донор электронов Источник углерода Тип метаболизма Примеры
Солнечный свет
Фото-
Органические вещества
-органо-
Органические вещества
-гетеротроф
Фотоорганогетеротрофы Пурпурные несерные бактерии, Галобактерии, Некоторые цианобактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Фотоорганоавтотрофы Редкий тип метаболизма, связанный с окислением неусваиваемых веществ. Характерен для некоторых пурпурных бактерий.
Неорганические вещества
-лито-*
Органические вещества
-гетеротроф
Фотолитогетеротрофы Некоторые цианобактерии, пурпурные и зелёные бактерии, также гелиобактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Фотолитоавтотрофы Высшие растения, Водоросли, Цианобактерии, Пурпурные серные бактерии, Зелёные бактерии.
Энергия
химических
связей
Хемо-
Органические вещества
-органо-
Органические вещества
-гетеротроф
Хемоорганогетеротрофы Животные, Грибы, Большинство микроорганизмов редуцентов.
Неорганический углерод**
-автотроф
Хемоорганоавтотрофы Окисление трудноусваиваемых веществ, например факультативные метилотрофы, окисляющие муравьиную кислоту.
Неорганические вещества
-лито-*
Органические вещества
-гетеротроф
Хемолитогетеротрофы Метанобразующие археи, Водородные бактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Хемолитоавтотрофы Железобактерии, Водородные бактерии, Нитрифицирующие бактерии, Серобактерии.
  • Некоторые авторы используют -гидро-, когда в качестве донора электронов выступает вода.
      • CO2, CO, HCHO, CH3OH, CH4 HCOO- и «неорганическая» метильная группа -СH3, присоединённая через атом кислорода, азота или серы к другим метильным группам (от одной до трёх) или к многоуглеродному скелету[29]

Классификация была разработана группой авторов (А. Львов, К. ван Ниль, F. J. Ryan, Э. Тейтем) и утверждена на 11-м симпозиуме в лаборатории Колд-Спринг-Харбор и изначально служила для описания типов питания микроорганизмов. Однако в настоящее время применяется и для описания метаболизма других организмов[30].

Из таблицы очевидно, что метаболические возможности прокариот значительно разнообразнее по сравнению с эукариотами, которые характеризуются фотолитоавтотрофным и хемоорганогетеротрофным типом метаболизма.

Следует отметить, что некоторые виды микроорганизмов могут в зависимости от условий среды (освещение, доступность органических веществ и т. д.) и физиологического состояния осуществлять метаболизм разного типа. Такое сочетание нескольких типов метаболизма описывается как миксотрофия.

При применении данной классификации к многоклеточным организмам важно понимать, что в рамках одного организма могут быть клетки, отличающиеся типом обмена веществ. Так клетки надземных, фотосинтезирующих органов многоклеточных растений характеризуются фотолитоавтотрофным типом метаболизма, в то время как клетки подземных органов описываются как хемоорганогетеротрофные. Так же как и в случае с микроорганизмами, при изменении условий среды, стадии развития и физиологического состояния тип метаболизма клеток многоклеточного организма может изменяться. Так, например, в темноте и на стадии прорастания семени клетки высших растений осуществляют метаболизм хемоорганогетеротрофного типа.

Катаболизмом называют метаболические процессы, при которых расщепляются относительно крупные органические молекулы сахаров, жиров, аминокислот. В ходе катаболизма образуются более простые органические молекулы, необходимые для реакций анаболизма (биосинтеза). Часто именно в ходе реакций катаболизма организм мобилизует энергию, переводя энергию химических связей органических молекул, полученных в процессе переваривания пищи, в доступные формы: в виде АТФ, восстановленных коферментов и трансмембранного электрохимического потенциала. Термин катаболизм не является синонимом «энергетического обмена»: у многих организмов (например у фототрофов) основные процессы запасания энергии не связаны напрямую с расщеплением органических молекул. Классификация организмов по типу метаболизма может быть основана на источнике получения энергии, что отражено в предыдущем разделе. Энергию химических связей используют хемотрофы, а фототрофы потребляют энергию солнечного света. Однако все эти различные формы обмена веществ зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые связаны с передачей электронов от восстановленных доноров молекул, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород, на акцепторные молекулы, такие как кислород, нитраты или сульфат.[31] У животных эти реакции сопряжены с расщеплением сложных органических молекул до более простых, таких как двуокись углерода и воду. В фотосинтезирующих организмах — растениях и цианобактериях — реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но они используются как способ запасания энергии, поглощаемой из солнечного света.[32]

Катаболизм у животных может быть разделён на три основных этапа. Во-первых, крупные органические молекулы, такие как белки, полисахариды и липиды, расщепляются до более мелких компонентов вне клеток. Далее эти небольшие молекулы попадают в клетки и превращается в ещё более мелкие молекулы, например ацетил-КоА. В свою очередь, ацетильная группа кофермента А окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса и дыхательной цепи, высвобождая при этом энергию, которая запасается в форме АТР.

Пищеварение[править | править код]

Такие макромолекулы, как крахмал, целлюлоза или белки, должны расщепляться до более мелких единиц прежде, чем они могут быть использованы клетками. Несколько классов ферментов принимают участие в деградации: протеазы, которые расщепляют белки до пептидов и аминокислот, гликозидазы, которые расщепляют полисахариды до олиго- и моносахаридов.

Микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты в пространство вокруг себя,[33][34] чем отличаются от животных, которые выделяют такие ферменты только из специализированных железистых клеток.[35] Аминокислоты и моносахариды, образующиеся в результате активности внеклеточных ферментов, затем поступают в клетки с помощью активного транспорта.[36][37]

Получение энергии[править | править код]

В ходе катаболизма углеводов сложные сахара расщепляются до моносахаридов, которые усваиваются клетками.[38] Попав внутрь, сахара (например глюкоза и фруктоза) в процессе гликолиза превращаются в пируват, при этом вырабатывается некоторое количество АТФ.[39] Пировиноградная кислота (пируват) является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях. Основной путь метаболизма пирувата — превращение в ацетил-КоА и далее поступление в цикл трикарбоновых кислот. При этом в цикле Кребса в форме АТР запасается часть энергии, а также восстанавливаются молекулы NADH и FAD. В процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот образуется диоксид углерода, который является побочным продуктом жизнедеятельности. В анаэробных условиях в результате гликолиза из пирувата при участии фермента лактатдегидрогеназы образуется лактат и происходит окисление NADH до NAD+, который повторно используется в реакциях гликолиза. Существует также альтернативный путь метаболизма моносахаридов — пентозофосфатный путь, в ходе реакций которого энергия запасается в форме восстановленного кофермента NADPH и образуются пентозы, например рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот.

Жиры на первом этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты расщепляются в процессе бета-окисления с образованием ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса, либо идёт на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше атомов водорода в своей структуре.

Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются до мочевины, диоксида углерода и служат источником энергии.[40] Окислительный путь катаболизма аминокислот начинается с удаления аминогруппы ферментами трансаминазами. Аминогруппы утилизируются в цикле мочевины; аминокислоты, лишённые аминогрупп, называют кетокислотами. Некоторые кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при дезаминировании глутамата образуется альфа-кетоглутаровая кислота.[41] Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в реакциях глюконеогенеза.[42]

Окислительное фосфорилирование[править | править код]

При окислительном фосфорилировании электроны, удалённые из пищевых молекул в метаболических путях (например в цикле Кребса), переносятся на кислород, а выделяющаяся энергия используется для синтеза АТФ. У эукариот данный процесс осуществляется при участии ряда белков, закреплённых в мембранах митохондрий, называемых дыхательной цепью переноса электронов. У прокариот эти белки присутствуют во внутренней мембране клеточной стенки.[43] Белки цепи переноса электронов используют энергию, полученную при передаче электронов от восстановленных молекул (например NADH) на кислород, для перекачки протонов через мембрану.[44]

При перекачке протонов создаётся разница концентраций ионов водорода и возникает электрохимический градиент.[45] Эта сила возвращает протоны обратно в митохондрии через основание АТФ-синтазы. Поток протонов заставляет вращаться кольцо из c-субъединиц фермента, в результате чего активный центр синтазы изменяет форму и фосфорилирует аденозиндифосфат, превращая его в АТФ.[15]

Энергия из неорганических соединений[править | править код]

Хемолитотрофами называют прокариот, имеющих особый тип обмена веществ, при котором энергия образуется в результате окисления неорганических соединений. Хемолитотрофы могут окислять молекулярный водород,[46] соединения серы (например сульфиды, сероводород и неорганические тиосульфаты),[1]оксид железа(II)[47] или аммиак.[48] При этом энергия от окисления этих соединений образуется с помощью акцепторов электронов, таких как кислород или нитриты.[49] Процессы получения энергии из неорганических веществ играют важную роль в таких биогеохимических циклах, как ацетогенез, нитрификация и денитрификация.[50][51]

Энергия из солнечного света[править | править код]

Энергия солнечного света поглощается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелёными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс часто сочетается с превращением диоксида углерода в органические соединения, как часть процесса фотосинтеза (см. ниже). Системы захвата энергии и фиксации углерода у некоторых прокариот могут работать раздельно (например у пурпурных и зелёных серных бактерий).[52][53]

У многих организмов поглощение солнечной энергии в принципе аналогично окислительному фосфорилированию, так как при этом энергия запасается в форме градиента концентрации протонов и движущая сила протонов приводит к синтезу АТФ.[15] Электроны, необходимые для этой цепи переноса, поступают от светособирающих белков, называемых центрами фотосинтетических реакций (примером являются родопсины). В зависимости от вида фотосинтетических пигментов классифицируют два типа центров реакций; в настоящее время большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, в то время как растения и цианобактерии два.[54]

У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует энергию света для удаления электронов из воды, при этом молекулярный кислород выделяется как побочный продукт реакции. Электроны затем поступают в комплекс цитохрома b6f, который использует энергию для перекачки протонов через тилакоидную мембрану в хлоропластах.[7] Под действием электрохимического градиента протоны движутся обратно через мембрану и запускают АТР-синтазу. Электроны затем проходят через фотосистему I и могут быть использованы для восстановления кофермента NADP+, для использования в цикле Кальвина или рециркуляции для образования дополнительных молекул АТР.[55]

Анаболизм — совокупность метаболических процессов биосинтеза сложных молекул с затратой энергии. Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются последовательно из более простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа, каждый из которых катализируется специализированным ферментом. На первом этапе синтезируются молекулы-предшественники, например аминокислоты, моносахариды, терпеноиды и нуклеотиды. На втором этапе предшественники с затратой энергии АТФ преобразуются в активированные формы. На третьем этапе активированные мономеры объединяются в более сложные молекулы, например белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.

Не все живые организмы могут синтезировать все биологически активные молекулы. Автотрофы (например растения) могут синтезировать сложные органические молекулы из таких простых неорганических низкомолекулярных веществ, как углекислый газ и вода. Гетеротрофам необходим источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для создания более сложных молекул. Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию из неорганических реакций окисления.

Связывание углерода[править | править код]

Растительные клетки содержат хлоропласты (зелёного цвета), в тилакоидах которых происходят процессы фотосинтеза. Plagiomnium affine из семейства Mniaceae отдела Настоящие мхи (Bryophyta)

Фотосинтезом называют процесс биосинтеза сахаров из углекислого газа, при котором необходимая энергия поглощается из солнечного света. У растений, цианобактерий и водорослей при кислородном фотосинтезе происходит фотолиз воды, при этом как побочный продукт выделяется кислород. Для преобразования CO2 в 3-фосфоглицерат используется энергия АТФ и НАДФ, запасённая в фотосистемах. Реакция связывания углерода осуществляется с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является частью цикла Кальвина.[56] У растений классифицируют три типа фотосинтеза — по пути трёхуглеродых молекул, по пути четырёхуглеродых молекул (С4), и CAM фотосинтез. Три типа фотосинтеза отличаются по пути связывания углекислого газа и его вхождения в цикл Кальвина; у C3 растений связывание CO2 происходит непосредственно в цикле Кальвина, а при С4 и CAM CO2 предварительно включается в состав других соединений. Разные формы фотосинтеза являются приспособлениями к интенсивному потоку солнечных лучей и к сухим условиям.[57]

У фотосинтезирующих прокариот механизмы связывания углерода более разнообразны. Углекислый газ может быть фиксирован в цикле Кальвина, в обратном цикле Кребса[58] или в реакциях карбоксилирования ацетил-КоА.[59][60] Прокариоты — хемоавтотрофы также связывают CO2 через цикл Кальвина, но для протекания реакции используют энергию из неорганических соединений.[61]

Углеводы и гликаны[править | править код]

В процессе анаболизма сахаров простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, например в глюкозу, и затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, таких как пируват, лактат, глицерин, 3-фосфоглицерат и аминокислот, называют глюконеогенезом. В процессе глюконеогенеза пируват превращается в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных соединений, многие из которых образуются и при гликолизе.[39] Однако глюконеогенез не просто является гликолизом в обратном направлении, так как несколько химических реакций катализируют специальные ферменты, что даёт возможность независимо регулировать процессы образования и распада глюкозы.[62][63]

Многие организмы запасают питательные вещества в форме липидов и жиров, однако позвоночные не имеют ферментов, катализирующих превращение ацетил-КоА (продукта метаболизма жирных кислот) в пируват (субстрат глюконеогенеза).[64] После длительного голодания позвоночные начинают синтезировать кетоновые тела из жирных кислот, которые могут заменять глюкозу в таких тканях, как головной мозг.[65] У растений и бактерий данная метаболическая проблема решается использованием глиоксилатного цикла, который обходит этап декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат и далее использовать для синтеза глюкозы.[64][66]

Полисахариды выполняют структурные и метаболические функции, а также могут быть соединены с липидами (гликолипиды) и белками (гликопротеиды) при помощи ферментов олигосахаридтрансфераз.[67][68]

Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды[править | править код]

Жирные кислоты образуются синтазами жирных кислот из ацетил-КоА. Углеродный скелет жирных кислот удлиняется в цикле реакций, в которых сначала присоединяется ацетильная группа, далее карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, затем происходит дегидратация и последующее восстановление. Ферменты биосинтеза жирных кислот классифицируют на две группы: у животных и грибов все реакции синтеза жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком I типа,[69] в пластидах растений и у бактерий каждый этап катализируют отдельные ферменты II типа.[70][71]

Терпены и терпеноиды являются представителями самого многочисленного класса растительных натуральных продуктов.[72] Представители данной группы веществ являются производными изопрена и образуются из активированных предшественников изопентилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата, которые, в свою очередь, образуются в разных реакциях обмена веществ.[73] У животных и архей изопентилпирофосфат и диметилаллилпирофосфат синтезируются из ацетил-КоА в мевалонатном пути,[74] в то время как у растений и бактерий субстратами не-мевалонатного пути являются пируват и глицеральдегид-3-фосфат.[73][75] В реакциях биосинтеза стероидов молекулы изопрена объединяются и образуют сквалены, которые далее формируют циклические структуры с образованием ланостерола.[76] Ланостерол может быть преобразован в другие стероиды, например холестерин и эргостерин.[76][77]

Белки[править | править код]

Организмы различаются по способности к синтезу 20 общих аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все 20, но млекопитающие способны синтезировать лишь 10 заменимых аминокислот.[7] Таким образом, в случае млекопитающих 9 незаменимых аминокислот должны быть получены из пищи. Все аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов гликолиза, цикла лимонной кислоты или пентозомонофосфатного пути. Перенос аминогрупп с аминокислот на альфа-кетокислоты называется трансаминированием. Донорами аминогрупп являются глутамат и глутамин. [78]

Аминокислоты, соединёнными пептидными связями, образуют белки. Каждый белок имеет уникальную последовательность аминокислотных остатков (первичная структура белка). Подобно тому, как буквы алфавита могут комбинироваться с образованием почти бесконечных вариаций слов, аминокислоты могут связываться в той или иной последовательности и формировать разнообразные белки. Фермент Аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует АТР-зависимое присоединение аминокислот к тРНК сложноэфирными связями, при этом образуются аминоацил-тРНК.[79] Аминоацил-тРНК являются субстратами для рибосом, которая объединяют аминокислоты в длинные полипептидные цепочки, используя матрицу мРНК.[80]

Нуклеотиды[править | править код]

Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты в цепи реакций, для протекания которых требуется большое количество энергии.[81][82] Именно поэтому большинство организмов имеют эффективные системы сохранения ранее синтезированных нуклеотидов и азотистых оснований.[81][83]Пурины синтезируются как нуклеозиды (в основном связанные с рибозой). Аденин и гуанин образуются из инозин-монофосфата, который синтезируется из глицина, глутамина и аспартата при участии метенил-тетрагидрофолата. Пиримидины синтезируются из оротата, который образуется из глутамина и аспартата.[84]

Ксенобиотики и окислительный метаболизм[править | править код]

Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, накопление которых может быть вредно для клеток. Такие потенциально опасные чужеродные соединения называются ксенобиотиками.[85] Ксенобиотики, например синтетические лекарства и яды природного происхождения, детоксифицируются специализированными ферментами. У человека такие ферменты представлены, например, цитохром-оксидазами,[86]глюкуронилтрансферазой,[87] и глутатион S-трансферазой.[88] Эта система ферментов действует в три этапа: на первой стадии ксенобиотики окисляются, затем происходит конъюгирование водорастворимых групп в молекулы, далее модифицированные водорастворимые ксенобиотики могут быть удалены из клеток и метаболизированы перед их экскрецией. Описанные реакции играют важную роль в разложении микробами загрязняющих веществ и биоремедиации загрязнённых земель и разливов нефти.[89] Многие подобные реакции протекают при участии многоклеточных организмов, однако, ввиду невероятного разнообразия, микроорганизмы справляются с гораздо более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные организмы, и способны даже разрушать стойкие органические загрязнители, например хлорорганические соединения.[90]

Связанной с этим проблемой для аэробных организмов является оксидативный стресс.[91] В процессе окислительного фосфорилирования и образования дисульфидных связей при у

ru.wikipedia.org

Обмен веществ в клетке | Дистанционные уроки

25-Июл-2013 | комментариев 8 | Лолита Окольнова

Во всех клетках живых организмов непрерывно идут процессы обмена веществ и энергии.

 

Это называется метаболизм.

 

Если рассмотреть этот процесс более детально, то это постоянные процессы образования и распада веществ и поглощения и выделения энергии.

 

 

 
 
 

Процесс синтеза веществ = пластический обмен = ассимиляция = анаболизм

 

Пластический обмен (анаболизм, или ассимиляция) – это совокупность физиолого-биохимических процессов, в ходе которых из простых органических и неорганических веществ образуются более сложные вещества. Пластический обмен протекает с затратой высокоорганизованной энергии (например, в виде АТФ)

 

Чтобы что-то построить, надо затратить энергию — этот процесс идет с поглощением энергии.

 

 

Глюконеогенез — это процесс синтеза глюкозы из неуглеводных соединений, например, из пирувата. Реакции глюконеогенеза у человека происходят в клетках печени, почек и эпителия тонкого кишечника.
 
Гликогеногенез — это процесс синтеза гликогена из глюкозы. Реакции гликогеногенеза осуществляются в клетках мышечной ткани и в клетках печени
 
Синтез жирных кислот осуществляется в цитоплазме жировой ткани
 
Синтез нуклеотидов осуществляется в цитоплазме всех активных клеток организма

 

 Процесс расщепления = энергетический обмен = диссимиляция = катаболизм

 

Энергетический обмен (катаболизм, или диссимиляция) – это совокупность физиолого-биохимических процессов, в ходе которых происходит окисление сложных органических веществ. В результате энергетического обмена образуются более простые органические или неорганические вещества, и выделяется высокоорганизованная энергия (например, в виде АТФ) .

 

В основном, это реакции окисления, происходят они в митохондриях, самый простой пример — дыхание. При дыхании сложные органические вещества расщепляются до простых, выделяется углекислый газ и энергия.

 
Вообще, эти два процесса взаимосвязаны и переходят один в другой. Суммарно уравнение метаболизма — обмена веществ в клетке —  можно записать так:
 

катаболизм + анаболизм = обмен веществ в клеткеметаболизм

 

 

Энергетический обмен = Диссимиляция = Катаболизм

 

Этот процесс идет в несколько этапов  и нам нужно рассмотреть как он проходит а различных организмах.

 

Организмов будет всего 2 —  многоклеточный (человек, например) и одноклеточный (растительный и животный).

 

И запомните,  сочетание букв АТФ (аденинтрифосфорная кислота) — означает “энергию”. Просто эта энергия заключена в молекуле.

 

 Обмен веществ в клетке

 

Этапы диссимиляции:

 

1 этап   —  подготовительный

 

Давайте проследим путь пищи от начала и до конца… Итак, пища поступила в организм. А что у нас за пища? Точнее, из чего она состоит? Из белков, жиров и углеводов.

 

Пища начинает перевариваться.

 

 

В чем суть пищеварения? Очень просто: полимеры: белки, жиры и углеводы расщепляются до мономеров:

 

 

  • жиры → до глицерина и жирных кислот

 

  • углеводы (полисахариды) →  до моносахаридов

 

 Такое расщепление возможно с помощью ферментов (био-катализаторов)

 

 

  • у одноклеточных — в их “мини-желудочках” — лизосомах (пищеварительных вакуолях)

 

2 этап — бескислородный — гликолиз

 

Глюкоза, полученная в предыдущем этапе, превращается в пировиноградную кислоту (ПВК) и выделяется энергия (“+” — это выделение энергии, “-” — поглощение).

 

С6H12O6 → C3H4O3 + 2 АТФ

 

Происходит этот процесс уже в цитоплазме клеток (как много-, так и одноклеточных организмов).

 

3 этап — кислородный  = Цикл Кребса + окислительное фосфорилирование

 

Здесь мы не будем детально разбирать цикл Кребса и фосфорилирование — это будет отдельная подробная тема  в формате ЕГЭ…

 

Сама суть этого процесса в том, что в митохондриях (на кристах) ( а если митохондроий нет, то и процесс этот отсутствет, т.е. у анаэробов кислородного этапа нет) кислота превращается  уже до конца: до CO2 (то, что мы выдыхаем) и H2O:

 

в цикле Кребса:
C3H4O3→CO2 + h3O + 36 АТФ

 

Общее уравнение  диссимиляции:

 

С6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 38 АТФ

 

 

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена:

 

  • Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами), в том числе белками-ферментами для энергетического обмена.
  • Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией. При выполнении работы (умственной, мышечной и т.п.) энергетический обмен усиливается.

 

Пластический и энергетический обмен – это сопряженные (взаимосвязанные) процессы.

 

Реакции метаболизма рано или поздно завершаются превращением всей исходной энергии в тепло.

 


 

 


 

Еще на эту тему:

Обсуждение: "Обмен веществ в клетке"

(Правила комментирования)

distant-lessons.ru

2. Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен

Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергии.

Обмен веществ начинается с поступления в организм воды и пищевых продуктов. В пищеварительном канале часть веществ с помощью ферментов расщепляется до более простых, которые всасываются в кишечнике и переходят в кровь (и с кровью вещества переносятся к клеткам тела). В клетках происходят процессы их химических превращений (клеточный метаболизм), в ходе которых организм получает энергию и материалы, необходимые ему для построения собственных клеток и тканей.

Не использованные в результате превращений веществ остатки и продукты жизнедеятельности (продукты распада) выводятся из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом).

 

Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену.

 

 

Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии.

В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождением энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи.

В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией).

Основными видами обмена веществ являются белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмены.

www.yaklass.ru

2. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция)

Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота).

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества — АТФ.

 

АТФ синтезируется в результате реакции фосфорилирования, то есть присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):

 

АДФ + h4PO4+ 40 кДж = АТФ + h3O.


Энергия запасается в форме энергии химических связей АТФ.  Химические связи АТФ, при разрыве которых выделяется много энергии, называются макроэргическими.


При распаде АТФ до АДФ клетка за счёт разрыва макроэргической связи получит приблизительно \(40\) кДж энергии.


Энергия для синтеза АТФ из АДФ  выделяется в процессе диссимиляции.

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.

В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа.


Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительныйбескислородный и кислородный.

 

В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.

 


 

У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), диссимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.

 

В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.

Первый этап — подготовительный

Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот.

Этот процесс называется пищеварением. У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом.

 

В ходе биохимических реакций, происходящих на этом этапе, энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ  не образуется.

Второй этап — бескислородный (гликолиз)

Второй (бескислородный) этап заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.

Биологический смысл второго этапа заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде \(2\) молекул АТФ.

Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

 

Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C6h22O6 в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C3h5O3 и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно \(40\) % энергии, выделившейся при гликолизе). Остальная энергия (около \(60\) %) рассеивается в виде тепла.

 

C6h22O6 + h4PO4+ 2АДФ = C3h5O3+2АТФ +2h3O.


Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов, превращается в молочную кислоту C3H6O3.

 

HOOC−CO−Ch4пировиноградная кислота→НАД⋅H+H+лактатдегидрогеназаHOOC−CHOH−Ch4молочная кислота.

В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.


При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происходит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C2H5OH и углекислый газ CO2:

 

C6h22O6+2h4PO4+2АДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2h3O.

Третий этап — кислородный

В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO2 и h3O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

 

Этот этап происходит на кристах митохондрий.


Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.

Третий (кислородный) этап заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде  \(36\) молекул АТФ  (\(2\) молекулы в цикле Кребса и \(34\) молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).

Этот этап можно представить себе в следующем виде:

 

2C3h5O3+6O2+36h4PO4+36АДФ=6CO2+42h3O+36АТФ.


Вспомним, что ещё две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы (на втором, бескислородном, этапе). Таким образом, в результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется \(38\) молекул АТФ.


Суммарная реакция энергетического обмена:

  

C6h22O6+6O2=6CO2+6h3O+38АТФ.

Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

www.yaklass.ru

1. Гомеостаз. Метаболизм. Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен)

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз — постоянство внутренней среды биологических систем.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза, для этого необходимы вещества и энергия.

Вся совокупность реакций биосинтеза веществ и их последующей сборки в более крупные структуры, идущих с затратой энергии, называется ассимиляцией, анаболизмом или пластическим обменом.

К пластическому обмену относятся фотосинтез, биосинтез белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов. Особенно интенсивно процессы ассимиляции происходят в растущих клетках развивающегося организма.

 

Для осуществления пластического обмена необходима энергия. Клетка получает её из реакций распада запасённых или полученных извне органических соединений. При участии ферментов эти вещества разлагаются на более простые соединения; при этом высвобождается энергия, часть которой выделяется в виде тепла, а часть запасается в виде молекул АТФ. В случае необходимости энергия АТФ используется для компенсации энергетических затрат клетки, например для обеспечения процессов ассимиляции.

Совокупность реакций распада веществ, сопровождающихся запасанием энергии, называется диссимиляцией, катаболизмом или энергетическим обменом.

Ассимиляция и диссимиляция — противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором — распад веществ с образованием и запасанием энергии.


Ассимиляция и диссимиляция —  две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизм.

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме.

Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма, или даже к их гибели.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

www.yaklass.ru

Болезни и изменения клеточного метаболизма

Нейродегенеративные и онкологические болезни — самые распространенные возрастные патологии после болезней сердца и сосудов. Как показывают исследования, эти патологии тесным образом связаны с энергетическим обменом и митохондриальной дисфункцией. Детальное и масштабное изучение изменений клеточного метаболизма при развитии этих патологий способствует разработке более совершенных диагностических инструментов, позволяющих обнаруживать заболевание на самой ранней его стадии.

Спецпроект о клеточном энергетическом метаболизме, работе митохондрий и АТФ, а также о заболеваниях, связанных с нарушениями функций клеточных «батареек».


Спонсор спецпроекта — «БиоХимМак» — поставщик научного и медицинского оборудования в лаборатории России и стран СНГ.

Наверное, у каждого, кто начинает знакомиться с удивительной организацией наших клеток, возникает чувство восхищения невероятной сложностью внутриклеточного мира. Каждую секунду в миллиардах наших клеток протекают сложные и строго скоординированные процессы. И одним из таких очень важных процессов является производство в митохондриях главной энергетической молекулы — аденозинтрифосфата, или АТФ. Сегодня уже хорошо известно, что работа митохондрий очень тесно связана со здоровьем и продолжительностью жизни [1]. Митохондрии производят энергию для поддержания жизни, но при этом они же служат основными источниками активных форм кислорода, избыток которых для клеток губителен.

Энергетический обмен

Любой живой организм находится в постоянной связи с окружающей средой, непрерывно обмениваясь с ней веществом. В этом процессе можно выделить три этапа:

  1. поступление веществ;
  2. метаболизм;
  3. выделение конечных продуктов.

Внутриклеточный метаболизм, в свою очередь, включает в себя два типа реакций: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм — это процесс расщепления и окисления органических молекул, приводящий к образованию тепла и энергетических молекул, АТФ. Именно за счет постоянного производства—расщепления последних съеденные нами калории направляются «по адресу»: гидролиз двух высокоэнергетических (макроэргических) связей в молекулах АТФ обеспечивает энергией всевозможные синтетические и транспортные процессы в клетках.

На первом этапе катаболизма под воздействием пищеварительных ферментов сложные органические соединения (белки, полисахариды, жиры) распадаются на более простые — аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и глицерин, — которые клетка использует для реакций анаболизма (пластического обмена) и получения энергии. Аминокислоты идут на синтез белков. Жирные кислоты выполняют энергетическую функцию, входят в состав клеточных мембран и служат субстратом для синтеза эйкозаноидов

На втором этапе происходит гликолиз — расщепление молекул глюкозы (рис. 1) до пировиноградной кислоты (ПВК). Дальнейший ход реакций зависит от присутствия или отсутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет (анаэробный процесс), то ПВК у микроорганизмов и растений будет превращаться в этанол, а в организме животных — в молочную кислоту [2]. Каждый, кто подвергал себя тяжелым физическим нагрузкам, мог почувствовать конечный результат анаэробного метаболизма в виде боли и скованности в мышцах из-за скопившейся в них молочной кислоты.

Рисунок 1. Реакции гликолиза. На 10 этапах гликолиза (пяти подготовительных и пяти этапах синтеза АТФ) из шестиуглеродной молекулы глюкозы образуются две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Полученная от расщепления глюкозы энергия запасается в «энергетической валюте» клетки — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ.

Если же кислород в клетке есть, ПВК будет расщепляться на углекислый газ и воду и тоже высвобождать заключенную в углеводной молекуле энергию. Этот процесс называется аэробным клеточным дыханием и проходит в специальных органеллах — митохондриях. Окисление в митохондриях дает гораздо больше энергии, чем гликолиз.

Митохондрии и производство АТФ

Рисунок 2. Митохондрия под электронным микроскопом.

Митохондрии — настоящее биологическое чудо, сотворенное эволюцией. Несмотря на очень маленький размер (в одной клетке может быть более 1000 митохондрий), эти органеллы поражают чрезвычайно сложной организацией (рис. 2). Они представляют собой вытянутые «пузырьки», окруженные двумя мембранами. Считается, что митохондрии сформировались в результате поглощения археями-фагоцитами пурпурных фотосинтезирующих бактерий, которые, приспосабливаясь к избытку кислорода, освоили аэробное дыхание [3], [4]. Мембраны митохондрий состоят из липидов и гидрофобных, нерастворимых в воде белков. (Здесь мы так подробно описываем строение митохондрий не случайно, а для того чтобы потом было понятно, как их нормальная работа и дисфункция влияют на здоровье.)

Строение мембран очень важно для процесса дыхания. Внешняя мембрана митохондрий — гладкая, а внутренняя — многократно складчатая. Эти складки (или кристы) позволяют увеличить рабочую площадь мембраны, что необходимо для размещения там всего комплекса белков, осуществляющих дыхание. Вначале окисляются углеродные атомы углеводов, жирных кислот и аминокислот до СО2 (гликолиз, цикл Кребса и β-окисление жирных кислот), а полученные таким образом электроны используются для образования НАДФ. Далее НАДФ окисляется молекулярным кислородом с образованием воды. НАДФ-оксидазная реакция сопровождается выделением очень большого количества свободной энергии (около 1,1 эВ при переносе одного электрона с НАДФ на кислород), которая может запасаться дыхательной цепью в виде трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов H+ (протонов).

Работа же дыхательных белков-ферментов похожа на работу насосов: передавая электроны друг другу, они перекачивают протоны в межмембранное пространство (см. видео 1). В результате внутренняя мембрана митохондрии заряжается подобно конденсатору. Создаются потенциалы: электрический (положительные заряды — снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные — внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций протонов: внутри митохондрии их меньше, снаружи — больше). Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм [5]. Для сравнения: потенциал действия на мембранах нервных клеток при передаче сигнала достигает всего 30 мВ.

Видео 1. Как работает митохондрия

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию — туда, где их концентрация ниже. Однако они могут проходить только по специальным каналам АТФ-синтазы, встроенной во внутреннюю мембрану: протонный канал (ротор) этого фермента закреплен в мембране, а каталитический комплекс торчит внутрь митохондрии, в матрикс (рис. 3). Поток протонов раскручивает ротор, как река водяную мельницу. В результате ротор вращается с невероятной скоростью — 300 оборотов в секунду (см. видео 2)! И именно это вращение приводит к образованию высокоэнергетической молекулы — АТФ [6]. Подсчитано, что в сутки в организме взрослого человека синтезируется и расходуется около 40 кг АТФ, при этом жизнь каждой молекулы очень коротка.

Рисунок 3. Схема дыхательной цепи митохондрий.

Видео 2. Работа АТФ-синтазы в мембране митохондрии

Всё вышесказанное имеет самое непосредственное отношение к старению. Дело в том, что в процессе дыхания ферменты работают не совсем «чисто», и в результате образуются побочные продукты — активные формы кислорода (АФК). Пока человек молод и здоров, образующиеся в митохондриях АФК не представляют для него ощутимой угрозы, так как легко нейтрализуются организмом. Но когда человек стареет, ведет нездоровый образ жизни или имеет генетическую предрасположенность к определенным болезням, его защитные системы дают сбой, рушась одна за другой.

Жирные кислоты и дисфункция митохондрий

То, что старение и возрастные патологии сопровождаются дисфункцией митохондрий, которые начинают производить меньше АТФ и хуже обновляться, уже ни у кого не вызывает сомнения. Выяснилось также, что дисфункция митохондрий и старение тесным образом связаны с повышением уровня свободных жирных кислот в крови [7], чему сильно способствуют малоподвижность и нерациональное питание. Жирные кислоты, попадая в клетку, способны напрямую снижать синтез АТФ, разобщая окисление и фосфорилирование. Этот связанный с терморегуляцией организма феномен был открыт еще шесть десятилетий назад академиком Скулачевым и его коллегами [8]. Снижение синтеза АТФ, в свою очередь, запускает сразу несколько негативных цепных реакций, связанных с возрастными болезнями и старением в целом.

И вот что происходит. Повышение уровня свободных жирных кислот в организме приводит к резистентности к инсулину: инсулинзависимые клетки перестанут реагировать на этот гормон. В результате нарушается усвоение глюкозы и жирных кислот, ухудшается окисление последних. Дело в том, что характерный для состояния инсулинорезистентности высокий уровень инсулина активирует целый каскад реакций, который блокирует работу фермента карнитинпальмитоилтрансферазы I (СРT1), участвующего в переносе жирных кислот внутрь митохондрий [9]. Из-за этого ухудшается синтез АТФ, а жирные кислоты накапливаются в цитоплазме клеток, вызывая эффект липотоксичности. Кроме резистентности к инсулину, избыток жирных кислот в организме вызывает резистентность к еще одному «пищевому» гормону — лептину. А из-за этого страдает функция одного из главных участников биогенеза (обновления) митохондрий — коактиватора рецептора гамма, активируемого пролифераторами пероксисом (PGC-1α). В итоге митохондрии производят меньше АТФ, стареют, погибают и провоцируют гибель клеток путем апоптоза [10].

Ну и наконец, избыток жирных кислот вызывает стресс эндоплазматического ретикулума (ЭПР) — внутриклеточного органоида, участвующего в синтезе белков и множестве других процессов. При стрессе ЭПР в цитоплазму высвобождаются ионы кальция, способные вызывать дисфункцию и гибель митохондрий [11]. Ионы кальция могут накапливаться в клетке и по другой причине — из-за ухудшения работы ионных насосов, откачивающих кальций из клетки. А причиной этому служит нарушение работы митохондрий, сопровождающееся снижением синтеза АТФ, без которого отказываются работать ионные насосы. В итоге формируется порочный круг: снижение выработки АТФ приводит к дисфункции митохондрий, что еще больше снижает выработку АТФ, и т.д.

Жирные кислоты, церамиды и повреждения нейронов

Как выяснилось, избыток жирных кислот и дисфункция митохондрий напрямую связаны с возникновением возрастных нейродегенеративных патологий. Надо сказать, что клетки нервной системы — самые уязвимые для возрастного окислительного стресса и снижения синтеза АТФ. Такая исключительная чувствительность нейронов к дефициту энергии и повышению генерации АФК объясняется несколькими причинами.

Во-первых, нервная ткань в силу своей физиологии нуждается в наибольшем потреблении кислорода. Вследствие этого в митохондриях нейронов происходит интенсивный окислительный метаболизм, который и становится основной причиной повышенной генерации АФК.

Во-вторых, из-за того, что мембраны нейронов содержат много ненасыщенных жирных кислот, они легко подвергаются перекисному окислению липидов. Так как активность антиоксидантных систем в ткани головного мозга ниже, чем в других органах, а с возрастом сокращается и количество некоторых ферментов-антиоксидантов, становится понятным, почему клетки нервной системы наиболее чувствительны к окислительным повреждениям [12].

В настоящее время известно несколько факторов, повреждающих нейроны. Среди них — белки, образующие внутри- и внеклеточные агрегаты (β-амилоидный белок и другие), а также церамиды и липофусцин. На их количество влияет прежде всего избыток жирных кислот в организме. Отягчающим обстоятельством в этом случае выступает чрезмерное содержание насыщенных кислот (пальмитиновой и стеариновой) в пищевом рационе. Всё это вместе служит мощным стимулом развития разнообразных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [13], [14].

Но каким же образом пальмитиновая кислота может способствовать нейродегенерации? Установлено, что из-за избытка этой кислоты накапливаются церамиды, которые участвуют в регуляции терминальной дифференцировки, пролиферации и апоптоза нейронов. Посредством нескольких химических реакций они воздействуют на регуляторы клеточного цикла, повышая концентрацию ингибиторов киназ p21/SDI1 и p27/KIP1. Таким образом церамиды останавливают клеточный цикл, что, в свою очередь, активирует главного «стража генома» — белок р53 — и «насылает» на клетку апоптоз [15]. Кроме этого, при деградации церамида образуется вещество сфингозин, обладающее цитотоксическим действием и способное вызывать как апоптоз, так и некроз клеток. Но и это еще не всё. Обнаружено, что накопление насыщенных жирных кислот (пальмитиновой и стеариновой) стимулирует специальные клетки головного мозга (астроглию) на эндогенный (внутренний) синтез церамидов. Эти произведенные церамиды запускают цепную реакцию следующего вида: церамиды → повышение секреции провоспалительных цитокинов и оксида азота → увеличение производства АФК и окислительный стресс → активация стресс-регулируемых киназ (CDK5 и GSK-3) в нейронах → образование β-амилоидного белка и гиперфосфорилирование τ-белка [16].

Нейродегенеративные патологии и дисфункция митохондрий

Сегодня важнейшими и самыми распространенными нейродегенеративными патологиями считают болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, а также боковой амиотрофический склероз. Их возникновение связывают со структурными изменениями различных белков, приводящими к образованию внутриклеточных агрегатов. К таким белкам относятся:

Болезнь Альцгеймера (БА) — тяжелое нейродегенеративное заболевание, для которого характерны синаптическая дисфункция и гибель нейронов, что сопровождается снижением когнитивных способностей: ухудшением памяти и мышления, постепенной потерей социальных и моторных навыков [17]. В зоне риска развития болезни находятся в основном пожилые люди. Лишь 1–2% людей в возрасте до 65 лет страдают БА. Согласно одной из гипотез развития БА — амилоидной, — болезнь возникает из-за накопления в головном мозге агрегатов β-амилоида. Этот пептид состоит из 39–43 аминокислотных остатков и является фрагментом крупного трансмембранного белка под названием предшественник бета-амилоида (amyloid precursor protein, APP). Находясь в избытке, молекулы β-амилоида начинают «склеиваться» и образовывать нерастворимые бляшки (рис. 4). Именно в таком состоянии белок нарушает работу нервных клеток и вызывает симптомы БА. У страдающих БА в пораженных участках мозга находят большое количество амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков [18].

Рисунок 4. Образование амилоидной бляшки у генно-инженерных мышей (показано длинной стрелкой). На 6-й день уже видна дистрофия нейрона (короткая стрелка). Синим цветом обозначены отложения амилоида, зеленым — нейроны. Длина масштабной линейки — 20 мкм; снимки сделаны с помощью мультифотонного микроскопа.

Однако амилоидная гипотеза — не единственная, объясняющая возникновение БА. В 1993 году Аллен Роузес, профессор Университета Дьюка, предложил еще одну гипотезу возникновения БА — генетическую, связанную с геном APOE, кодирующим аполипопротеин Е (ApoE). Выяснилось, что наследование одного из вариантов гена APOE — APOE4 — в несколько раз повышает шансы заболеть БА. Всё больше исследователей склоняются к мысли, что β-амилоид излишне «демонизирован» и не является первопричиной развития БА. Неудавшаяся терапия, направленная на очистку клеток от β-амилоида, подтверждает, что с этой болезнью не всё до конца ясно [19].

Болезнь Паркинсона (БП) — еще одно тяжелое и довольно распространенное возрастное нейродегенеративное заболевание. У больных БП в нейронах черной субстанции накапливается α-синуклеин, который образует особые гранулы — тельца Леви. Надо сказать, что существует так называемая деменция с тельцами Леви, для которой характерно скопление многочисленных телец Леви в кортикальных и субкортикальных нейронах и развитие прогрессирующего когнитивного расстройства уже в первый год заболевания. Но пока не совсем ясно, считать ли эту деменцию формой БП или же правильнее ее рассматривать как отдельное заболевание. В случае БП скопления телец Леви приводят к дисфункции нейронов и их гибели, при этом характерно поражение областей мозга из состава так называемого нигростриарного дофаминового пути. Этот путь регулирует двигательную активность, снижая напряжение в мышцах. Вот почему, когда гибнут дофаминовые нейроны, у больных возникают соответствующие симптомы: нарастающее повышение мышечного тонуса и дрожание рук. Кроме нарушения моторных функций для БП характерны и другие симптомы, связанные с нарушением сна, депрессией, тревогой, ухудшением зрения и замедлением мышления [20].

Болезнь Хантингтона (БХ) — тоже не слишком редкое нейродегенеративное заболевание [21]. Как и в случае болезни Альцгеймера, для патогенеза БХ характерно образование токсичных белковых агрегатов с участием мутантных форм белков, которые синтезируются в нервной ткани. Но если к основному «виновнику» БА, β-амилоиду, у ученых есть вопросы, в случае с БХ сомнений гораздо меньше. Установлено, что именно генетические особенности — полиморфизмы определенных участков ДНК — приводят к появлению патологических форм белка хантингтина. Такой хантингтин способен к ассоциации с другими белками нервной ткани, в результате чего образуются нерастворимые токсичные агрегаты, повреждающие кору и полосатое тело головного мозга. Для БХ типичны всплески непроизвольной двигательной активности, эмоциональные расстройства и потеря памяти. В то же время нормальная физиологическая функция белка хантингтина в организме остается под вопросом. Предполагают, что он играет какую-то роль в эмбриогенезе [22].

Все три упомянутые патологии самым тесным образом связаны с дисфункцией митохондрий. Прежде всего, надо отметить, что ее развитие под действием дефектных белков, специфичных для нейропатологий, было установлено несколькими способами: in vitro (на клеточных линиях и внеклеточных системах) и in vivo (на трансгенных животных). Обнаружили и обратную связь: оказалось, что дисфункция митохондрий может стимулировать появление дефектных белков. Так, нарушение активности дыхательного комплекса I ведет к накоплению в нервных клетках гиперфосфорилированного τ-белка и α-синуклеина [23].

Со скоплением дефектных белков связали и уже упоминавшийся стресс эндоплазматического ретикулума. Один из таких белков, α-синуклеин, может снижать активность протеасом, что заканчивается стрессом ЭПР, увеличением производства АФК и инициацией апоптозных процессов. Это происходит потому, что из митохондрий высвобождается апоптозный фактор, цитохром С, который активирует «клеточных убийц» — каспазу-9 и каспазу-3 [24]. Как полагают, на начальных этапах нейродегенерации при БА накопление β-амилоида и гиперфосфорилирование τ-белка могут быть физиологическими механизмами защиты клетки от окислительного стресса, вызванного прогрессирующей митохондриальной дисфункцией. Однако при избыточном накоплении этих белков в клетке происходит сбой в работе митохондрий. Так, у пациентов с БА обнаружили, что β-амилоид накапливается в митохондриях и нарушает реакции гликолиза и цикла Кребса, активизирует продукцию АФК. Более того, β-амилоид способен напрямую подавлять синтез АТФ. Это возможно из-за структурного сходства белка с естественным ингибитором F(1)-субъединицы АТФ-синтазы митохондрий. Также β-амилоид может взаимодействовать с митохондриальной мембраной, формируя стабильные комплексы с двумя транслоказами, TOM40 и TIM23. Такие комплексы подавляют импорт в митохондрии белков, кодируемых ядерным геномом, — субъединиц IV и Vb цитохромоксидазы. На что органелла откликается увеличением производства агрессивного пероксида водорода.

Но и это еще не всё: белок — предшественник β-амилоида может формировать поры в мембранах митохондрий и других органелл, что нарушает ионный баланс в клетке и запускает ее апоптоз [25]. Также этот белок повышает активность фосфолипазы D, в результате изменяя фосфолипидный состав митохондриальных мембран, увеличивая концентрацию фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидной кислоты и нарушая работу мембран. Известно, что β-амилоид может связывать гем, а это ведет к дефициту гема в клетке, из-за чего нарушается работа гем-содержащего IV комплекса электронтранспортной цепи митохондрий [26].

Но не только β-амилоид способен негативно влиять на митохондрии. В экспериментах с трансгенными грызунами, экспрессирующими ген хантингтина человека, обнаружили агрегацию этого белка в митохондриях с последующим развитием их дисфункции. Другой «зловредный» белок, α-синуклеин, накапливаясь во внутренней митохондриальной мембране, способен снижать активность дыхательного комплекса I. Как следствие, митохондрии увеличивают продукцию АФК [27]. Также обнаружено, что α-синуклеин, взаимодействуя с митохондриями, может стимулировать высвобождение из них цитохрома С, а значит, инициировать апоптоз.

В целом, можно сказать, что запуск апоптоза — характерный эффект белков, вызывающих нейродегенерацию. Они могут прямо или косвенно воздействовать на регуляторные белки, связанные с апоптозом: p53, Akt, Bad, Bax, Bcl-x(L) и кальцинейрин [28].

Также описано, что сверхсинтез белка — предшественника β-амилоида приводит к повреждению системы слияния—деления митохондрий. Негативно влияют на эту же систему и на утилизацию дефектных митохондрий аутофагосомами мутации гена паркина (PARK2), обнаруженные у больных БП. Дефектные формы τ-белка и хантингтина тоже мешают нормальной работе митохондрий, ухудшая тем самым энергообеспечение отростков нервных клеток и синаптическую передачу, вызывая дегенерацию синапсов [29].

Таким образом, белки, участвующие в развитии нейродегенеративных патологий, могут способствовать митохондриальной дисфункции посредством целого ряда механизмов. В свою очередь, уже возникшая дисфункция может усугублять патологические процессы, стимулируя появление дефектных белков и замыкая тем самым порочный круг развития болезни.

Эффект Варбурга

И напоследок стόит коснуться еще одного момента, связанного с патологиями и изменением клеточного метаболизма. В 1926 году немецкий биохимик Отто Варбург сравнил скорости образования молочной кислоты (лактата) в нормальных и опухолевых клетках. Оказалось, что опухолевые клетки потребляют очень много глюкозы, образуя при этом лактат. И делают это они гораздо быстрее, чем нормальные клетки: злокачественная ткань в эксперименте производила молочную кислоту в восемь раз активнее, чем это происходит в мышце, выполняющей физическую работу. Варбург установил, что раковые клетки используют гликолиз для получения энергии вне зависимости от доступности кислорода (рис. 5) [30]. В честь первооткрывателя этот феномен назвали эффектом Варбурга [2].

Рисунок 5. Энергообеспечение нормальной и раковой клеток. Синим квадратом обозначена поступающая в клетку глюкоза.

Обнаружив этот эффект, Варбург логично предположил, что его можно объяснить дисфункцией митохондрий в опухолевых клетках и нарушением окислительного фосфорилирования. Сегодня эта точка зрения ставится под сомнение, так как и в перерожденной ткани обнаруживают большое количество нормально работающих митохондрий. Около половины всей энергии опухолевые клетки получают из молекул АТФ, произведенных в митохондриях [31]. Эффект Варбурга проявляется в клетках уже в самом начале их трансформации в опухолевые. И это дает возможность проводить раннюю диагностику неопластических процессов: как только клетка начала расходовать глюкозу в повышенных масштабах, пора бить тревогу. Обнаружить эти процессы можно с помощью позитронно-эмиссионной томографии с использованием фторированного аналога глюкозы, 2-(18F)-2-дезокси-D-глюкозы.

Но зачем раковые клетки переходят на анаэробный гликолиз? Сейчас считается, что так они получают преимущество, заранее подготавливаясь к «тяжелым временам» — развитию гипоксии. А кроме этого, такой способ энергообеспечения дает клеткам возможность использовать промежуточные продукты гликолиза для анаболических реакций, усиления своей антиоксидантной защиты и отражения иммунной атаки организма [32].

Таким образом, изменения в метаболизме глюкозы и появление дефектных белков и внутриклеточных агрегатов могут говорить о начале развития патологии. Своевременное выявление подобных внутриклеточных процессов может сыграть решающую роль в предупреждении и терапии самых распространенных нейродегенеративных и онкологических заболеваний. А для того чтобы это было возможным, необходимо изучать фундаментальные аспекты патологий, связанные с работой митохондрий и энергетическим обменом. Сегодня уже разработаны системы, позволяющие заглянуть «вглубь» этих заболеваний и даже провести диагностику на самой ранней стадии их развития. Подробнее об этих системах, принципах их действия и исследованиях с их использованием расскажут следующие статьи спецпроекта.

Компания более 25 лет успешно занимается поставками научного и медицинского оборудования российских и зарубежных производителей: Beckman Coulter, Bio-Rad, Molecular Devices, Thermo Fisher Scientific, UVP, Seahorse Bioscience (part of Agilent), Immucor, MRC Holland и др. «БиоХимМак» обслуживает более 5000 научных и медико-диагностических лабораторий в России и странах СНГ.

Отдел молекулярной диагностики (Life Science MDx)

Молекулярная онкология, преимплантационный скрининг, цитогенетика, пренатальные и постнатальные исследования, диагностика инфекций, наследственных, мультифакторных заболеваний, детекция генномодифицированных источников и бактериального загрязнения в продуктах питания, криминалистические приложения — это лишь неполный перечень областей, которые входят в сферу интересов отдела.

Основные направления деятельности отдела:

  • комплексная поставка ПЦР- и иного оборудования для всех этапов анализа — пробоподготовки, амплификации, различных вариантов детектирования и архивирования результатов;
  • запуск оборудования и обучение персонала;
  • поставка расходных материалов и реагентов для диагностики и научных исследований;
  • поиск и поставка тест-систем для решения уникальных задач или использующих передовые технологии, не имеющие пока широкого распространения в диагностической практике.

Отдел работает как с инновационной продукцией (MLPA, PGS и NGS исследования, клеточная биоэнергетика Agilent Seahorse Bioscience), так и с зарекомендовавшими себя мировыми брендами — Beckman Coulter, Bio-Rad, Molecular Devices, UVP, Thermo Fisher Scientific.

Материал предоставлен партнёром — компанией «БиоХимМак»

  1. Вода студеная, вареная и кипящее молоко, или Еще раз об омоложении;
  2. Страшней клешней на свете нет...;
  3. Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку);
  4. От сложного к простому: трудности симбиогенеза;
  5. Ржешевский А.В. (2016). Нанороботы внутри нас: как работают клетки. Популярная механика. 1, 31–34;
  6. Романовский Ю.М. и Тихонов А.Н. (2010). Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза — вращающийся молекулярный мотор. Успехи физических наук. 9, 931–956;
  7. Терёшина Е.В. (2007). Роль жирных кислот в развитии возрастного окислительного стресса. Успехи геронтологии. 20, 59–65;
  8. Скулачев В.П. (1998). Альтернативные функции клеточного дыхания. Соросовский образовательный журнал. 8, 2–7;
  9. Ржешевский А.В. (2014). Снижение синтеза АТР и дисфункция биологических мембран. Биохимия. 10, 1300–1315;
  10. Roger H. Unger. (2003). Minireview: Weapons of Lean Body Mass Destruction: The Role of Ectopic Lipids in the Metabolic Syndrome. Endocrinology. 144, 5159-5165;
  11. C. Xu. (2005). Endoplasmic reticulum stress: cell life and death decisions. Journal of Clinical Investigation. 115, 2656-2664;
  12. Иллариошкин С.Н. (2012). Нарушения клеточной энергетики при заболеваниях нервной системы. Нервные болезни. 1, 34–38;
  13. R. A Whitmer. (2005). Obesity in middle age and future risk of dementia: a 27 year longitudinal population based study. BMJ. 330, 1360-0;
  14. β-амилоид: невидимый враг или тайный защитник? Запутанная тропка болезни Альцгеймера;
  15. L. M. Obeid. (2003). Ceramide, Stress, and a "LAG" in Aging. Science of Aging Knowledge Environment. 2003, 27pe-27;
  16. Бабенко Н.А., Семенова Я.А., Харченко В.С. (2009). Влияние обогащенной жирами диеты на содержание сфинголипидов и когнитивные функции у старых крыс. Нейрофизиология. 41, 309–315;
  17. На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера;
  18. Смерть после жизни, болезнь Альцгеймера и почему мы хотим перемен;
  19. Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума;
  20. C. A. Davie. (2008). A review of Parkinson's disease. British Medical Bulletin. 86, 109-127;
  21. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона);
  22. Francis O Walker. (2007). Huntington's disease. The Lancet. 369, 218-228;
  23. Gunter U. Hoglinger, Annie Lannuzel, Myriam Escobar Khondiker, Patrick P. Michel, Charles Duyckaerts, et. al.. (2005). The mitochondrial complex I inhibitor rotenone triggers a cerebral tauopathy. J Neurochem. 95, 930-939;
  24. W. W. Smith. (2005). Endoplasmic reticulum stress and mitochondrial cell death pathways mediate A53T mutant alpha-synuclein-induced toxicity. Human Molecular Genetics. 14, 3801-3811;
  25. Судаков Н.П., Бывальцев В.А., Никифоров С.Б., Сороковиков В.А., Клименков И.В., Константинов Ю.М. (2010). Дисфункция митохондрий при нейродегенеративных заболеваниях. Журнал неврологии и психиатрии. 9, 87–91;
  26. H. Atamna, K. Boyle. (2006). Amyloid-beta peptide binds with heme to form a peroxidase: Relationship to the cytopathologies of Alzheimer's disease. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103, 3381-3386;
  27. L. Devi, V. Raghavendran, B. M. Prabhu, N. G. Avadhani, H. K. Anandatheerthavarada. (2008). Mitochondrial Import and Accumulation of  -Synuclein Impair Complex I in Human Dopaminergic Neuronal Cultures and Parkinson Disease Brain. Journal of Biological Chemistry. 283, 9089-9100;
  28. Sandra M. Cardoso, Catarina R. Oliveira. (2005). The role of calcineurin in amyloid-β-peptides-mediated cell death. Brain Research. 1050, 1-7;
  29. Francis C. Chee, Amritpal Mudher, Matthew F. Cuttle, Tracey A. Newman, Daniel MacKay, et. al.. (2005). Over-expression of tau results in defective synaptic transmission in Drosophila neuromuscular junctions. Neurobiology of Disease. 20, 918-928;
  30. Robert A. Gatenby, Robert J. Gillies. (2004). Why do cancers have high aerobic glycolysis?. Nat Rev Cancer. 4, 891-899;
  31. Peter L. Pedersen. (2007). Warburg, me and Hexokinase 2: Multiple discoveries of key molecular events underlying one of cancers’ most common phenotypes, the “Warburg Effect”, i.e., elevated glycolysis in the presence of oxygen. J Bioenerg Biomembr. 39, 211-222;
  32. Куликов В.А. и Беляева Л.Е. (2013). Метаболическое перепрограммирование раковых клеток. Вестник Витебского государственного медицинского университета. 2, 6–18;
  33. Melanie Meyer-Luehmann, Tara L. Spires-Jones, Claudia Prada, Monica Garcia-Alloza, Alix de Calignon, et. al.. (2008). Rapid appearance and local toxicity of amyloid-β plaques in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nature. 451, 720-724.

biomolecula.ru

Катаболизм — Википедия

Катаболи́зм (от греч. καταβολή, «сбрасывание, разрушение»), также энергетический обмен, или диссимиляция — процесс метаболического распада (деградации) сложных веществ на более простые или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде молекулы АТФ, универсального источника энергии всех биохимических процессов.[1] Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до простых.

Примерами катаболизма являются:

Интенсивность катаболических процессов и преобладание тех или иных катаболических процессов в качестве источников энергии в клетках регулируется гормонами. Например:

C6h22O6+6O2⟶6CO2+6h3O+Q{\displaystyle {\ce {{C6h22O6}+ 6 {O2}-> 6 {CO2}+ 6 {h3O}+ {Q}}}}
(точнее, увеличивая её анаболизм, индуцируя накопление глюкозы в виде гликогена в печени и мышечной ткани, уменьшая тем самым концентрацию глюкозы в крови и лимфе, опосредуя гипогликемию),
  • инсулин, напротив, ускоряет катаболизм глюкозы и тормозит катаболизм белков.

Катаболизм является противоположностью анаболизма — процессу синтеза или ресинтеза новых, более сложных, соединений из более простых, протекающему с расходованием, затратой энергии АТФ. Соотношение катаболических и анаболических процессов в клетке регулируется гормонами. Например, адреналин или глюкокортикоиды сдвигают баланс обмена веществ в клетке в сторону преобладания катаболизма, а инсулин, соматотропин, тестостерон — в сторону преобладания анаболизма.

Пластический и энергетический обмены[править | править код]

Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.

Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

  • АТФ+Н2О -> АДФ+Н3РО4+Q1,
  • АДФ+Н2О->АМФ+Н3РО4+Q2,
  • АМФ+Н2О->аденин+рибоза+Н3РО4+Q3,

где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза - до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.

I этап, подготовительный[править | править код]

Сложные органические соединения распадаются на простые под действием пищеварительных ферментов, при этом выделяется только тепловая энергия.

  • Белки → аминокислоты
  • Жиры → глицерин и жирные кислоты
  • Крахмал → глюкоза

II этап, гликолиз (бескислородный)[править | править код]

Осуществляется в цитоплазме, с мембранами не связан. В нём участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза и происходит образование двух молекул пировиноградной кислоты CH3COCOOH. 60 % энергии рассеивается в виде тепла, а 40 % — используется для синтеза 2 молекул АТФ. Кислород не участвует.

C6h22O6⟶2Ch4COCOOH+2АТФ{\displaystyle {\ce {{C6h22O6}-> 2{Ch4COCOOH}+ 2 {АТФ}}}}

III этап, клеточное дыхание (кислородный)[править | править код]

Осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В нём участвуют ферменты, кислород. Расщеплению подвергается молочная кислота. СО2 выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ.

  • Биологический энциклопедический словарь / глав. ред. М. С. Гиляров. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 250.

ru.wikipedia.org

Энергетический обмен, подготовка к ЕГЭ по биологии

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) складывается из процессов расщепления и синтеза - диссимиляции и ассимиляции, постоянно протекающих в организме. Чтобы жизнь продолжалась, количество поступающей энергии должно превышать (или как минимум равняться) количеству расходуемой энергии, поэтому диссимиляция и ассимиляция поддерживают определенный баланс друг с другом.

Энергетический обмен

Энергетический обмен (диссимиляция - от лат. dissimilis ‒ несходный) - обратная ассимиляции сторона обмена веществ, совокупность реакций, которые приводят к высвобождению энергии химических связей. Это реакции расщепления жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот до простых веществ.

Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).

Обсудим этапы энергетического обмена более подробно:

  • Подготовительный этап
  • Осуществляется в ферментами, в результате действия которых, сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.

    Под действием ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры - на глицерин и жирные кислоты, сложные углеводы - до простых сахаров.

  • Бескислородный этап (анаэробный) - гликолиз
  • Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.

  • Кислородный этап (аэробный)
  • Этот этап доступен только для аэробов - организмов, живущих в кислородной среде. Из каждой молекулы ПВК, образовавшейся на этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ - в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ.

    Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).

    Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

Трудно переоценить роль в клетке АТФ - универсального источника энергии. Молекула АТФ состоит из азотистого основания - аденина, углевода - рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Между остатками фосфорной кислоты находятся макроэргические связи - ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением большого количества энергии. Их принято обозначать типографическим знаком тильда "∽".

АТФ гидролизуется до АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а затем и до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Гидролиз АТФ сопровождается выделением энергии (E) на каждом этапе и может быть представлен такой схемой:

  • АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E
  • АДФ + H2O = АМФ + H3PO4 + E
  • АМФ + H2O = аденин + рибоза + H3PO4 + E
Пластический обмен

АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.

В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

studarium.ru

Обмен веществ и энергии в клетке . Видеоурок. Биология 9 Класс

Тема урока: «Обмен веществ – основа существования клетки». На нем мы рассмотрим такие понятия, как обмен веществ, диссимиляция, ассимиляция.

Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках. Клетка постоянно находится в движении – цитоплазма перемещается, увлекая за собой органоиды и включения, активно работают рибосомы и митохондрии, совершается множество химических превращений. Все живые организмы, существующие на Земле, представляют собой открытые системы, характеризующиеся способностью активно обмениваться с окружающей средой веществами и энергией. Из окружающей среды в клетку поступают различные вещества, а из клетки в окружающую среду удаляются ненужные продукты обмена – происходит обмен веществ, или метаболизм (Рис. 1).

Рис. 1. Обмен веществ клетки с окружающей средой (Источник)

Питательные вещества используются организмами в качестве источника атомов химических элементов (прежде всего атомов углерода), из которых строятся либо обновляются все структуры. В организм, кроме питательных веществ, поступают также вода, кислород, минеральные соли.

Поступившие в клетки органические вещества (или синтезированные в ходе фотосинтеза) расщепляются на строительные блоки – мономеры и направляются во все клетки организма (Рис. 2). Часть молекул этих веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и так далее).

Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, предназначенная непосредственно для выполнения работы.

Рис. 2. Распределение органических веществ (Источник)

Энергия необходима для синтеза всех специфических веществ организма, поддержания его высокоупорядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов, поддержания постоянной температуры тела (у птиц и млекопитающих) и для других целей.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих процессы ее жизнедеятельности.

В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.

В зависимости от общей направленности процессов выделяют катаболизм и анаболизм.

Анаболизм (ассимиляция) – совокупность химических процессов, направленных на образование и обновление структурных частей клеток, этот процесс имеет второе название – пластический обмен.

Фотосинтез: 6Н2О + 6СО2 → С6Н12О6 + 6СО2

Сюда можно отнести, например, фиксацию азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ. Анаболизм является созидательным этапом обмена веществ, он всегда осуществляется с потреблением энергии и с участием ферментов.

Катаболизм (диссимиляция) – совокупность реакций, в которых происходит распад крупных органических молекул до простых соединений с одновременным высвобождением энергии.

Катаболизм обеспечивает энергией все процессы, протекающие в клетке, и имеет второе название – энергетический обмен.

Дыхание: С6Н12О6 + 6СО2 → 6Н2О + 6СО2 + АТФ

При разрыве химических связей молекул органические соединения энергии высвобождаются и запасаются главным образом в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ, универсального источника энергии у всех живых организмов (Рис. 3).

Рис. 3. Строение молекулы АТФ (Источник)

По своей химической природе АТФ является мононуклеотидом и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных между собой макроэргическими связями. Выделение энергии в клетке происходит при отделении одного из фосфорных остатков от молекулы АТФ, разрыв этой связи высвобождает 7,3 килокалории, тогда как при разрыве химических связей других соединений энергии выделяется в три-четыре раза меньше. При этом образуется молекула аденозиндифосфата – АДФ, с двумя фосфорными остатками. Она легко может восстановиться до АТФ, присоединив один остаток фосфорной кислоты или отдать еще один фосфорный остаток и превратиться в аденозинмонофосфат – АМФ (Рис. 4).

Рис. 4. Выработка энергии в клетке (Источник)

Переход АТФ в АДФ и обратно – это основной механизм выработки энергии в клетке. Отщепление от АТФ и АДФ фосфорного остатка приводит к выделению энергии, а присоединение к АМФ и АДФ фосфорного остатка приводит к накоплению энергии.

Мы рассмотрели два основных процесса обмена веществ в клетке, оба вида обмена составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а следовательно, и любого организма и тесно связаны между собой.

 

Список литературы

  1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – Дрофа, 2009.
  2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.
  3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

 

Домашнее задание

  1. Дать определение метаболизму.
  2. Какие виды обмена составляют основу жизнедеятельности любой клетки?
  3. Что является источником энергии у всех живых организмов?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Biofile.ru (Источник).
  2. Интернет-портал Yaklass.ru (Источник).
  3. Интернет-портал 5fan.ru (Источник).

interneturok.ru

Обмен веществ и энергии в клетке. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс): уроки, тесты, задания.

1. Значение энергетического обмена

Сложность: лёгкое

1
2. Пировиноградная кислота

Сложность: среднее

2
3. При больших физических нагрузках...

Сложность: среднее

2
4. Бескислородная стадия энергетического обмена

Сложность: среднее

3
5. Образование АТФ

Сложность: среднее

3
6. Этапы энергетического обмена

Сложность: сложное

3
7. Энергетический процесс в клетке

Сложность: сложное

4

www.yaklass.ru

Обмен веществ клетки — Знаешь как

Содержание статьи

Общие закономерности и ферментативный характер процессов клеточного метаболизма. В клетках ежеминутно с большой скоростью совершается множество химических реакций, совокупность которых составляет обмен веществ, или метаболизм. Процессы метаболизма тонко согласованы друг с другом, протекают в определенной последовательности, тщательно регулируются. Совокупность реакций биосинтеза, требующих затрат энергии, называют анаболизмом. К анаболическим процессам относятся биосинтезы белков, жиров, липоидов, нуклеиновых кислот, фотосинтез и др. За счет этих реакций происходит усложнение молекулярных компонентов клеток — промежуточные вещества превращаются в строительные блоки, а последние — в макромолекулы.

Анаболизм создает основу для непрерывного обновления износившихся структур, для поддержания их высокого энергетического уровня.

Рис. 6. Схема взаимодействия фермента, субстрата и кофакторов (по С. Роузу)

а — перед началом реакции субстрат, фермент и кофактор сближаются; б — все компоненты ферментативной реакции образуют комплекс, в котором происходит активация молекулы субстрата; в — расщепленная молекула субстрата выходит из активного центра фермента, который готов принять следующую молекулу субстрата.

Энергия для анаболических процессов поставляется реакциями катаболизма, при которых происходит расщепление молекул сложных органических веществ с освобождением энергии. Основное содержание катаболических реакций составляют процессы гидролиза и биологического окисления сложных органических веществ.

Конечные продукты катаболизма — вода, двуокись углерода, ряд азотсодержащих соединений — аммиак, мочевина, мочевая кислота и др. — недоступны для дальнейшего биологического окисления в клетке.

Процессы анаболизма и катаболизма неразрывно связаны. Катаболические процессы осуществляют энергетическое обеспечение анаболических и поставляют для них исходные вещества; анаболические процессы приводят к построению биологических структур, обеспечивающих течение и регуляцию катаболизма, а также поставляют для него изношенные и подлежащие расщеплению макромолекулы.

Роль ферментов в процессах метаболизма. Все процессы метаболизма катализируются и регулируются ферментами — веществами белковой природы.

В условиях лаборатории, чтобы активировать ход химической реакции, реагирующие вещества можно нагреть, повысить давление в системе, если реагенты газы, или добавить щелочь или кислоту, изменив величину рН для реакций, идущих в водных растворах.

Вещества клетки не могут быть подвергнуты подобным воздействиям, так как даже при незначительном изменении величины рН или повышении температуры выше 37° С в ней наступают серьезные изменения, часто приводящие клетку к гибели.

Ферменты являются теми биологическими катализаторами, которые «запускают» реакции в клетке.

Ферменты обладают высокой избирательностью: они ускоряют одни реакции и совсем не действуют на другие, хотя и очень близкие процессы. Некоторые ферменты вступают в реакцию и выходят из нее так быстро, что одна молекула фермента может катализировать превращение полумиллиона молекул за одну минуту.

В живой клетке протекает множество разнообразных реакций. Понятно, что каждая из них катализируется особым ферментом. В большинстве клеток насчитывают свыше двухсот различных ферментов.

Большинство ферментов активно при температуре от 35 до 40° С, что подтверждает их белковую природу. Для большинства ферментов оптимальная среда близка к нейтральной (рН около 7,0), хотя есть и такие, которые наиболее активны в кислой среде или, напротив, в щелочной. Так, фермент слюны амилаза наиболее активен при рН 9,0 и даже выше, а фермент желудочного сока активен при рН 2—3.

Так называемые однокомпонентные ферменты представляют собой чистые белки, а двухкомпонентные состоят из белков и небелковых групп — ионов, витаминов, сложных органических соединений.

Полагают, что фермент, как и любой катализатор, образует временный комплекс с субстратом. При этом высвобождается фермент и образующиеся продукты реакции. Оказывается, истинный комплекс с субстратом образует лишь небольшая часть молекулы фермента, так называемый активный центр, в котором происходит взаимодействие фермента с субстратом, собственно каталитическая реакция.

При определенной величине рН активный центр фермента приобретает строго определенную конфигурацию, которая соответствует структуре субстрата, поэтому молекула субстрата «плотна» укладывается в него, подобно тому как ключ входит в замок (рис. 6). Под действием межмолекулярных сил происходит связывание субстрата с активным центром фермента и активирование его, что приводит к образованию конечных продуктов. Конечные продукты ферментативной реакции уже не заполняют плотно активный центр фермента и «выпадают» из него. Активный центр таким образом высвобождается для катализа новых реакций.

Возможен и такой вариант, когда область активного центра фермента не заполняется полностью молекулой субстрата, и тогда для плотной укладки нужны дополнительно другие вещества. Чаще всего ими являются ионы магния и марганца.

Часто ферменты не способны катализировать реакции без таких дополнительных веществ — активаторов, или коферментов. Иногда кофермент связывается с ферментом так, что их невозможно разделить; тогда кофермент называют простетической группой фермента. И коферменты, и простетические группы выполняют одну и ту же функцию: способствуют связыванию субстрата ферментом.

К настоящему времени известно около 1000 различных ферментов. Строение и механизм действия многих из них изучены. Поэтому классификация ферментов основывается на названиях субстратов (веществ, которые подвергаются их воздействию) и на типах катализируемых ими химических реакций (табл. 3).

 Таблица 3

Классификация ферментов

Названия классов Катализируемые реакции Примеры
Оксидоредуктазы

 

 

Трансферазы

 

Гидролазы

Окислительно-восстановительные процессы

Перенос функциональных групп

Гидролиз

Каталаза (ускоряет разложение перекиси водорода)

Лактатдегидрогенеза (при участии НАД окисляет молочную кислоту до пировиноградной)

Глюкокиназа (переносит остаток фосфорной кислоты с АТФ на глюкозу)

Рибонуклеаза (переносит фосфатные группы нуклеотидов на воду, что вызывает деполимеризацию РНК)

Аминотрансферазы (переносят аминогруппы с аминокислот на оксикислоты)

Липаза (отщепляет остатки жирных кислот от молекул жиров)

Пепсин, трипсин (специфически гидролизуют пептиды)

АТФ-аза (гидролитически отщепляет остатки фосфорной кислоты от молекул АТФ)

Дезоксирибонуклеаза (вызывает

гидролитическую деполимеризацию ДНК)

Амилиза (гидролизует крахмал гликоген)

Продолжение табл. 8

Названия классов Катализируемые реакции Примеры
Лиазы

Иэомеразы

Лигазы (синтета-зы)

Негидролитическое расщепление с образованием двойных связей

Изомеризация

Синтетические процессы за счет АТФ

Карбонатгидролиаза (расщепляет угольную кислоту на двуокись углерода и воду)

Пируватдекарбоксилаза (отщепляет двуокись углерода от пиро-виноградной кислоты)

Цистеиндесульфгидраза (при участии воды отщепляет от цистеина аммиак и сероводород)

Триозофосфатизомераза (превращает фосфат глицеринового альдегида в диоксиацетонфосфат)

Синтетазы комплексов аминокислоты — РНК

Пируваткарбоксилаза (присоединяет двуокись углерода к пировиноградной кислоте)

АТФ

Анаболические и катаболические процессы не могут осуществляться друг без друга. Их сопряжение обеспечивается благодаря участию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты)—единого и универсального аккумулятора энергии в клетке.

Основу структуры АТФ составляет адениновый нуклеотид (рис. 7). В состав АТФ входят азотистое основание (аденин), сахар (рибоза) и фосфорная кислота. В отличие от обычных нуклеотидов у АТФ вместо одного остатка фосфорной кислоты их содержится три.

Рис. 7. Структура АТФ.

Под влиянием фермента АТФ-азы в молекуле АТФ разрываются связи между Р и О и присоединяется одна (а иногда две) молекула воды. Это сопровождается отщеплением одной (а иногда и двух) молекулы фосфорной кислоты. Если отделяется одна молекула фосфорной кислоты, то образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ). Если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ). Так как запас АТФ в клетке ограничен, то сразу же после распада АТФ происходит ее ресинтез.

Гидролиз каждой из двух концевых фосфатных групп протекает с выделением 33 520 Дж, тогда как при отщеплении третьего остатка образуется только 12 570 Дж.

Вследствие этого две концевые фосфатные связи в молекуле АТФ получили название богатых энергией связей или макроэргических. В биохимии макроэргические связи обозначаются знаком ~. Поэтому схематически молекулу АТФ можно изобразить так:

Благодаря макроэргическим фосфатным связям АТФ живая клетка обладает удобной формой хранения энергии, а в случае необходимости эта энергия быстро высвобождается и используется для жизнедеятельности клетки.

Поступление в клетку и гидролиз пищевых веществ. Строение и функции мембран. Поступление в клетку пищевых веществ— необходимое условие осуществления метаболизма. Вещества поступают в клетку через наружную плазматическую мембрану. Чтобы понять функции мембран, надо познакомиться с их химическим составом и строением.

Как показали многочисленные электронно-микроскопические исследования, мембраны клеток трехслойные (рис. 8).Наружный и внутренний слои состоят из молекул белков, расположенных в один ряд. Средний слой образован двумя рядами молекул липидов. Белки и липиды мембраны образуют своеобразные белково-липидные комплексы.

Гидрофобные радикалы липидов обращены друг к другу, а гидрофильные — к молекулам белков.

Толщина клеточной мембраны (в зависимости от метода фиксации) 75 — 95 Å.

Молекулы воды свободно проходят через мембраны, вероятно, через поры, выстланные полярными группами. Обмен воды между клеткой и средой зависит только от разности концентраций между ними. На поглощение или удаление воды клетка не затрачивает энергии, перенос воды через мембрану поэтому называют пассивным.

Рис. 8. Схема молекулярной организации цитоплазматической мембраны:

1— бимолекулярный слой липидов; 2 — мономолекулярные слои белка; — пора

Известно, что по законам осмоса через мембраны движется только вода, а за счет электростатических сил — ионы хлора (они связаны со многими катионами и следуют за ними). Транспорт аминокислот, глюкозы, катионов и других веществ совершается через мембраны избирательно, с затратой энергии АТФ и с использованием специальных переносчиков. Такой способ переноса веществ через мембраны наиболее распространен, его называют активным транспортом. Активный транспорт одними и теми же мембранами различных веществ объясняют разнородностью мембран с наличием в них участков, избирательно пропускающих определенные вещества.

Проникновение через мембрану мелких частиц или ионов не сопровождается ее значительными анатомическими изменениями. Иначе попадают в клетку крупные пищевые частицы.

С активной деятельностью цитоплазматической мембраны связаны явления фагоцитоза и пиноцитоза.

Фагоцитоз был открыт И. И. Мечниковым. Суть его — в активном поглощении клеткой относительно крупных частиц. Клетки-фагоциты способны образовывать выпячивания в форме ложноножек, которые обволакивают частицу со всех сторон, и она сначала прикрепляется к наружной мембране клетки, а затем погружается в цитоплазму в «мембранной упаковке». В цитоплазме под влиянием ферментов происходит переваривание и обезвреживание захваченных частиц.

Функцией фагоцитоза у человека обладают лейкоциты, а также клетки-макрофаги лимфатических узлов, селезенки, ретикулярные клетки костного мозга, остеокласты костной ткани. Эти клетки способны захватывать и обезвреживать бактерий, простейших и др.

С фагоцитозом сходен пиноцитоз, при котором через мембрану транспортируются макромолекулярные вещества из водного раствора. Суть пиноцитоза заключается в следующем: некоторые вещества в тканевой жидкости, соприкасаясь с поверхностью клеточной мембраны, оседают на ней (адсорбируются) и тем самым изменяют поверхностное натяжение определенного участка мембраны. Участок мембраны с адсорбированными на нем веществами втягивается внутрь клетки и отшнуровывается. Так адсорбированные вещества оказываются внутри клетки. Целостность мембраны очень быстро восстанавливается.

Попавшие в клетку путем фаго- или пиноцитоза вещества в «мембранной упаковке» поступают в «пищеварительный аппарат» клетки — лизосому, которая представляет собой мембранный мешок, заполненный пищеварительными ферментами. Лизосомы относят к числу универсальных органоидов цитоплазмы. Это небольшие образования длиной 1—3 мкм, округлой формы; их мембрана имеет типичное трехслойное строение. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, способны расщеплять (греч. lysis — растворение) белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Кроме того, за счет ферментов лизосом могут перевариваться при отмирании отдельные структуры клетки, а также целые отмершие клетки.

Особенно богаты лизосомами зернистые лейкоциты (их зернистость не что иное, как скопление лизосом), остеокласты (клетки, обеспечивающие перестройку костной ткани). Именно лизосомам принадлежит решающая роль в формировании функции этих клеток.

В лизосомах происходит первый, подготовительный этап катаболизма. Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, липидов под действием гидролитических ферментов расщепляются на «строительные блоки» (аминокислоты, глюкоза, нуклеотиды), глицерин и жирные кислоты. Некоторое количество энергии, которое при этом освобождается, не используется клеткой и рассеивается.

У многоклеточных животных и человека этот этап метаболизма совершается в основном вне клеток — в органах пищеварения.

Поступившие из лизосом или через наружную мембрану продукты гидролитического расщепления пищевых веществ различными путями перемещаются по цитоплазме, чаще всего они попадают на ферментные системы или в каналы эндоплазматической сети.

Эндоплазматическая сеть открыта сравнительно недавно (1945—1946) с помощью электронного микроскопа. Она представляет собой сложную систему канальцев и цистерн, ограниченных мембранами. Мембраны эндоплазматической сети имеют типичную трехслойную структуру, такую же, как и наружная мембрана клетки.

Во многих клетках на наружной поверхности мембраны эндоплазматической сети располагаются многочисленные гранулы. Это рибосомы. Есть участки эндоплазматической сети, где рибосом нет. В связи с этим различают два типа эндоплазматической сети: гладкую и шероховатую, или гранулярную.

На мембранах эндоплазматической сети расположены ферментные системы, осуществляющие как биологическое окисление и гидролиз поступивших в клетку веществ, так и синтез специальных макромолекул.

Шероховатая эндоплазматическая сеть особенного развития достигает в клетках растущего организма, а также в нервных клетках, клетках, синтезирующих гормоны, ферменты пищеварительных соков. Определенно установлено, что гранулярная эндоплазматическая сеть принимает активное участие в синтезе белков. Этому способствуют располагающиеся здесь рибосомы, высокая концентрация необходимых для синтеза белков рибонуклеиновых кислот и ферментов, катализирующих деятельность всей системы, синтезирующей белок.

Гладкая эндоплазматическая сеть особо развита в клетках, синтезирующих гликоген и липиды (клетки сальных желез, клетки печени). Ферментные системы гладкой эндоплазматической сети осуществляют анаэробный гликолиз и синтез АТФ, синтез углеводов, жиров и жироподобных веществ, а также транспорт углеводов и жиров в полость цистерн, каналов и далее в систему комплекса Гольджи.

Структурно-функциональная организация биологических окислительных процессов

Энергию для анаболических процессов и различных проявлений физиологической активности в животных клетках поставляют биологические окислительные процессы, которые носят многоступенчатый характер. На каждом этапе происходит аккумулирование энергии в молекулах АТФ. Биологическое окисление — основное звено катаболизма — можно подразделить на неполное и полное. Для примера рассмотрим неполное окисление глюкозы (гликолиз). Гликолиз происходит без участия свободного кислорода, поэтому относится к анаэробным процессам.

Реакции гликолиза направляются группой из 11 ферментов, расположенных на мембранах эндоплазматической сети. Попав на первый фермент, глюкоза активируется за счет реакции с АТФ. Продукт этой реакции — глюкозо-6-фосфат — поступает на следующий фермент и т. д. С последнего фермента сходит конечный продукт гликолиза — молочная кислота, а с ряда промежуточных— молекулы АТФ, в которых накопилась энергия неполного окисления. Фактически гликолиз объединяет три группы процессов, в результате которых происходит: 1) разрушение углеродного скелета глюкозы; 2) перемещение остатков фосфорной кислоты из цитоплазмы к промежуточным продуктам гликолиза и, наконец, к АТФ; 3) собственно окислительно-восстановительные реакции — перенос водорода (электронов) от одних промежуточных продуктов к другим.

Молочная кислота — конечный продукт гликолиза — в анаэробных условиях выделяется через мембрану клетки наружу. Когда мышечные клетки высших организмов действуют в условиях перегрузки и вынуждены функционировать в анаэробных условиях, большое количество молочной кислоты поступает в кровь. В печени она вновь превращается в глюкозу. Избыток молочной кислоты в мышцах изменяет величину рН и субъективно воспринимается как их утомление.

В клетках неполному окислению подвергается не только глюкоза, но и глицерин, жирные кислоты, аминокислоты и другие вещества. Один из продуктов этого превращения — пировиноградная кислота (она же предпоследний продукт гликолиза).

В процессе гликолиза освобождается только 5% того количества энергии, которое можно получить от системы глюкоза — кислород. У конечного продукта гликолиза — молочной кислоты— запас химической энергии еще чрезвычайно велик. Дальнейшее извлечение этой энергии происходит при полном, или кислородном, окислении, которое приводит к образованию конечных, энергетически обесцененных продуктов — двуокиси углерода и воды, а также сопровождается синтезом большого количества АТФ.

Полное окисление осуществляется в «энергетических станциях» клетки — митохондриях.

Митохондрии — это обязательные органоиды каждой клетки. Число их в клетке различно: от 2—3 до нескольких тысяч. Это зависит от функционального состояния клетки. Такпри относительном покое в печеночной клетке насчитывают около 900 митохондрий. Прием пищи, вызывающий усиление желчеобразования и желчевыделения, приводит к увеличению числа митохондрий в клетках печени в 1,5—2 раза.

По форме митохондрии могут быть округлыми, овальными, удлиненными, палочковидными или нитевидными., Изменение формы митохондрий происходит при изменении осмотического давления, температуры, рН среды и других воздействиях на клетку.

Электронная микроскопия позволила увидеть сложную структуру митохондрий. Оказалось, митохондрия содержит двухслойную белково-липоидную мембрану, имеющую такое же строение, как и клеточная мембрана. Под внешней мембраной митохондрий располагается внутренняя, которая также имеет типичное строение (рис. 9).

Внутренняя мембрана образует выросты, направленные внутрь митохондрии. Эти выросты называют гребнями или кристами. Кристы увеличивают поверхность митохондрий, что имеет большое значение для направленного осуществления многочисленных химических процессов.

Рис. 9. Схема строения митохондрии:

1 — внешняя мембрана митохондрии; 2 — внутренняя мембрана; — складки внутренней мембраны, или кристы; — матрикс

Внутреннее пространство митохондрии, в котором располагаются кристы, заполнено матриксоль.

В составе митохондрий обнаружены белки, липиды и нуклеиновые кислоты, в том числе и ДМК. В митохондриях содержится большое количество ферментов, прижимающих активное участие в энергетическом обмене клетки.

Наружная мембрана в значительной степени проницаема для многих растворимых низкомолекулярных соединений. Во внутреннюю мембрану «встроены» ферментные системы переноса электронов и синтеза АТФ. Внутрь митохондрии непрерывно поступают порции АДФ и промежуточных продуктов биологического окисления. Специальные ферменты-переносчики осуществляют пере движение через митохондриальную мембрану синтезированных молекул АТФ.

Митохондрии расположены в клетке вблизи историков «метаболического топлива» или по соседству от структур, нуждающихся в АТФ. Так, в эпителиальных клетках митохондрии располагаются по направлению движения секрета, для образования которого требуется АТФ. В активна функционирующих мышечных клетках они ориентированы вдоль миофибрилл. Вместе с тем иногда они накапливаются возле жировых включений, используемых как «метаболическое топливо».

Кроме биологического окисления, митохондрии осуществляют разнообразную синтетическую деятельность — в них происходит синтез белков, липидов, углеводов. Имеются данные, указывающие на синтез в митохондриях белков и собственных ДНК, на их генетическую преемственность.

Процессы биологического окисления регулируются как единая система реакций. Избыток АТФ замедляет скорость гликолиза: повышение концентрации АТФ угнетает активность регулятор-

ного фермента гликолитического конвейера — фосфофруктокиназы. Вместе с тем избыточная концентрация АДФ стимулирует активность не только этого фермента гликолиза, но и деятельность митохондрий.

Структурно-функциональная организация анаболических процессов. Биосинтез белков. Синтетические процессы в клетке осуществляются на ферментных системах мембран эндоплазматической сети.

Благодаря локализации ферментных систем на мембранах создаются оптимальные условия для активации и торможения процессов синтеза того или иного вещества, обеспечивается высокая скорость процесса.

В каждой клетке тела животных и растений имеются тысячи различных белков. Синтез белков является самым важным процессом во всей синтетической деятельности клетки. Растущий организм синтезирует белки с большой скоростью. Синтез белков продолжается и после того, как организм перестает расти. Особенно это выражено в клетках специализированных, например пищеварительных желез, синтезирующих белки — ферменты (пепсин, амилаза и др.), или желез внутренней секреции, синтезирующих гормоны, многие из которых являются белками.

Открытие механизма синтеза белков — одно из величайших достижений научного прогресса, не уступающее по своему значению установлению делимости атома в физике.

Белковые цепи построены из сочетаний 20 различных видов аминокислот, связанных друг с другом в уникальной, неповторяющейся последовательности. В цепи каждое аминокислотное звено имеет определенное место. Если распределение аминокислот меняется, то белок теряет свою физиологическую активность или она нарушается.

Основная роль в биосинтезе белков принадлежит нуклеиновым кислотам (ДНК и РНК). ДНК хромосом содержит информацию, необходимую для программирования синтеза всей совокупности специфических белков данного организма. Именно ДНК переносит наследственную информацию от родительской клетки к дочерней.

Запись информации возможна только при наличии кода, состоящего из отдельных «символов». Такими «символами» в молекуле ДНК являются нуклеотиды. В гигантской молекуле ДНК, состоящей из нескольких тысяч последовательно расположенных нуклеотидов, закодирована, зашифрована запись структур ряда молекул белка. Длинная нитевидная молекула ДНК состоит из ряда следующих друг за другом участков. Каждый из них содержит информацию о структуре какого-либо одного белка.

Вспомните азбуку Морзе. В коде Морзе всего два знака (точка, тире). Каждой букве соответствует определенная комбинация точек и тире. Нечто подобное можно видеть и в молекуле

ДНК. Здесь роль кодовых знаков или символов выполняют четыре вида нуклеотидов, многократно повторяющиеся в полинуклеотидной цепи ДНК. Нуклеотиды, как уже говорилось, обозначают начальными буквами названий азотистых оснований: аденина А, тимина Т, гуанина Г и цитозина Ц.

При синтезе белков информация должна содержать данные об аминокислотах, входящих в данный белок, и о порядке их расположения в полипептидных цепях. В белках обнаружено свыше 20 аминокислот, и, следовательно, каждая из них должна быть закодирована в молекуле ДНК определенным сочетанием последовательно расположенных нуклеотидов. Оказалось, каждой аминокислоте соответствует участок ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов. Так, фрагмент А — Ц — Ц соответствует аминокислоте триптофану, участок Т — А — Ц — метионину и т. д.

Таким образом, кодовая группа для каждой из 20 аминокислот состоит из трех нуклеотидов (триплет) (AAA, ГЦГ, ТГА и т. п.). Последовательность расположения аминокислот в структуре белка кодируется на ДНК последовательностью расположения триплетов.

Таких триплетов может быть 64 (это число возможных сочетаний из четырех нуклеотидов по 3).

Итак, ДНК представляет собой основной генетический материал клетки и в конечном счете «отвечает» за белковый синтез.

Но ДНК находится в клеточном ядре, а биосинтез белка происходит в основном в цитоплазме, в мелких структурах ее — рибосомах.

Рибосомы клеток очень малы, имеют округлую форму, их диаметр 150—350 Å. Их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа.

Большинство рибосом располагается, как сказано выше, на мембранах шероховатой эндоплазматической сети (клетки печени, поджелудочной железы). В клетках, где шероховатая эндоплазматическая сеть развита слабо, рибосомы свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы. Значительное количество свободных рибосом обнаруживается в недифференцированных эмбриональных клетках. Есть рибосомы и в клеточном ядре.

Рибосомы — глобулярные образования, в состав которых входят белок и высокополимерная рибосомальная РНК.

Каким же образом информация передается рибосомам? Это совершается с помощью информационной РНК. Последовательность нуклеотидов в и-РНК отражает структуру одного из участков ДНК. В этом случае говорят, что информация о структуре белков, содержащаяся в молекуле ДНК, как бы переписывается на и-РНК- Этот процесс называют транскрипцией (лат. transcriptio — переписывание).

Молекулы и-РНК транспортируются в рибосомы, где как на матрице происходит сборка белковой молекулы из аминокислот, находящихся в цитоплазме.

В синтезе белков принимают участие различные системы живой клетки. Аминокислоты, идущие на построение белков, вначале активируются в процессе взаимодействия с АТФ, при участии специфичных ферментов.

Активированные аминокислоты переносятся на молекулы растворимых (транспортных) РНК. Для разных видов аминокислот существуют свои т-РНК. Аминокислота присоединяется к т-РНК посредством макроэргической (богатой энергией) связи.

На следующем этапе синтеза активированные аминокислоты переносятся на синтезирующие участки рибосом и т-РНК освобождаются. т-РНК работают подобно челноку, принося активированные аминокислоты в рибосомы и затем покидая их.

т-РНК не только приносят в рибосомы активированные аминокислоты, но и приводят их в контакт с цепочкой и-РНК, где каждая аминокислота «узнается» и удерживается в определенном положении с помощью группировки из трех азотистых оснований. Если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным триплету и-РHK (находящемуся в данный момент в рибосоме), то аминокислота попадает точно в место сборки белка. Аминокислота высвобождается от т-РНК и включается в состав молекулы белка.

Свободная от аминокислоты т-РНК поступает из рибосомы в цитоплазму. Здесь т-РНК снова подхватывает аминокислоту и вновь направляется в одну из рибосом.

К рибосомам из основного вещества цитоплазмы непрерывно поступают с помощью транспортной РНК аминокислоты, из которых синтезируются белковые молекулы.

В рибосомах, находящихся в ядре, происходит синтез ядерных белков.

Молекулы белка, синтезированные на рибосомах, транспортируются по каналам эндоплазматической сети.

Наиболее активная фоль в синтезе белка принадлежит рибосомам, связанным с мембранами эндоплазматической сети. Видимо, эти органоиды представляют связанный друг с другом аппарат синтеза и транспорта белка, продуцируемого клеткой.

Через биосинтез белков осуществляется генетический контроль всех метаболических процессов клетки. Содержащаяся в ДНК наследственная информация реализуется в структурах белков-ферментов и определяет их специфичность, а следовательно, и характер направляемых ими процессов.

Биосинтез белков — процесс, который тщательно регулируется на уровнях транскрипции и трансляции.

Не все молекулы ДНК одновременно участвуют в синтезе белка. Активно функционируют лишь отдельные участки хромосом — пуфы. При образовании пуфа в нуклеопротеидном комплексе ослабевают связи между ДНК и гистонами, осуществляется местная редупликация ДНК, синтез и-РНК, белков и компонентов рибосом.

Комплекс пуфов соответствует набору активных генов. Порядок работы пуфов запрограммирован в генотипе и регулируется системой обратных связей: накопление продуктов деятельности одного пуфа активизирует образование другого.

Продукты биосинтеза накапливаются в клетке в форме включений, капель, вакуолей, кристаллов, гранул. Они непостоянны, в процессе жизнедеятельности клетки могут то возникать, то исчезать.

Многие из включений представляют собой запасные питательные вещества. Таковы капельки жира в клетках подкожной жировой клетчатки животных и человека, клетках печени рыб, цитоплазме инфузорий. В клетках печени, в цитоплазме мышечных волокон содержатся большие скопления гликогена в виде глыбок или зерен.

Белковые включения встречаются в клетках реже, главным образом в цитоплазме яйцеклеток.

К включениям относят и некоторые пигменты клеток, в том числе гемоглобин — дыхательный пигмент, содержащийся в цитоплазме эритроцитов в диффузном состоянии.

Важную роль в образовании включений, в секреторной и синтетической деятельности клеток выполняет один из важнейших органоидов — комплекс Гольджи, который встречается во всех животных и растительных клетках. Во многих клетках комплекс Гольджи действительно имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра (нервные клетки). Вообще же строение комплекса Гольджи сильно варьирует не только в отдельных клетках, но даже в одной и той же клетке.

В комплексе Гольджи образуются вещества, из которых состоят включения цитоплазмы. Они могут быть в виде капелек жира или зерен белка или углеводов, составляющих запасы питательного или пластического материала клеток.

В секреторных клетках из веществ, поступающих в комплекс Гольджи по каналам эндоплазматической сети, образуются секреторные гранулы. Если секрет гликопротеидной природы, то углеводная часть его молекул синтезируется на мембранах самого аппарата Гольджи.

Полагают, что из поступающих в полости комплекса Гольджи белков и липоидов формируются белково-липоидные комплексы, используемые клеткой для замены стареющих клеточных мембран, мембранных структур самого комплекса Гольджи, шероховатой и гладкой эндоплазматической сети и других мембранных структур клетки.

Статья на тему Обмен веществ клетки

znaesh-kak.com


Смотрите также