Тема №3 Обмяна на веществата. Биохимична енергетика. Основни положения. Макроергични съединения

Въведение

Изграждането и поддържането на подредени биохимични системи е за сметка на енергията, която клетките изразходват постоянно. Процесите на химични превръщания на веществата и енергията между организмите и околната среда се нарича външна обмяна (биологична обмяна). Биохимичните превръщания на химичните съединения и енергията в клетката се определят като вътрешна обмяна (метаболизъм). Съвкупността от външната и вътрешна обмяна се нарича обмяна на веществата и енергията.

Метаболизмът, или обмяната на веществата, включва всички процеси, които протичат в клетката и обезпечават нейното възпроизводство. Клетъчният метаболизъм обхваща два потока реакции, които имат различно направление. Катаболизъм – поток от реакции съпроводен с акумулиране на енергия под формата на АТФ или други богати на енергия съединения, които могат да бъдат използвани от клетката. Анаболизъм (конструктивен метаболизъм) – включва ензимни реакции, в резултат на които се образува ново клетъчно вещество.

Източник на енергия за човека и животните е само химическата енергия. Фотосинтезиращите организми ползват директно слънчева енергия. Топлинната енергия не може да се използва от живите организми за полезна работа. При тях може да се извършва работа и да настъпват промени в свободната енергия, без да се увеличава ентропията. Тя може да остава постоянна или дори да намалява, за сметка на процеси, настъпващи в околната среда. Това не противоречи на втория термодинамичен закон, ако приемем организма и околната му среда за една обща затворена система.

3.1. Метаболизъм. Функции на метаболизма. Обмяна на веществата – общи понятия.

Метаболизмът е най-характерната особеност за живите системи. Той осъществява непрекъсната връзка между организмите и средата чрез сложни превръщания на веществата и потока на енергията. Метаболизмът е съвкупност от всички биохимични процеси в организма (хиляди биохимични реакции), които протичат в клетките на организмите, за да ги поддържат живи. Тези процеси позволяват на организмите да нарастват и да се възпроизвеждат, да обновяват своите структури и да отговарят на промени в заобикалящата ги среда. По време на метаболизма протичат два типа взаимосвързани процеси (фиг. 24):

• на изграждане (анаболитни);
• на разграждане (катаболитни).

Химичните реакции на метаболизма са организирани в метаболитни пътища, в които определено химично вещество се трансформира в ново вещество чрез поредица от стъпки, във всяка от които участва ензим. Икономичност в използваните средства (метаболити, кофактори, ензими), стандартизация в начините за преработка на метаболитите и тенденция към намаляване на разнообразието в биохимичните реакции са типични качества на метаболизма. Всяка отделна стъпка - биохимична реакция се означава като обменно (метаболитно) стъпало.

Фигура 24. Обмяна на веществата (метаболизъм) – съвкупност от анаболизъм и катаболизъм.

Биохимичните реакции се свързват последователно в метаболитни (обменни) вериги (пътища), цикли или мрежи. Всички метаболитни вериги са свързани пряко или косвено помежду си (фиг. 25, 26). Свързаността на биохимичните процеси позволява въздействията върху едно стъпало да се отразят на широк кръг от реакции.

Веществата, които се подлагат на биохимични изменения се наричат метаболити. Броят на метаболитите е малък и още по-малък е броят на тези от тях, които заемат централни места в обмяната на веществата. На местата, където метаболитните вериги се сливат, разделят или разклоняват се намират т.н. възлови метаболити. Веществата, които се получават в резултат на метаболизма и не се използват за други превръщания в клетката се наричат крайни продукти на метаболизма.

Обменните вериги могат да бъдат:

• Прави: A1→A2→A3→…..
• Разклонени – може да се тръгне от едно вещество и да се стигне до няколко крайни продукта;
• Циклични – това са икономични обменни пътища, тъй като те не са затворени, а на различни етапи в тях могат да се включват и преработват други вещества. В този смисъл се използват ефективно ензимните системи на цикъла.

Фигура 25. Обща схема на метаболизма.

Трансформирането на сравнително малкия брой метаболити се извършва чрез неголям брой типови биохимични реакции. Елементарните процеси на метаболизма са типови процеси - дехидрогениране, просто и окислително декарбоксилиране, дезаминиране и т. н (фиг. 25). Много често различни метаболити се подлагат на еднотипни превръщания. Не само броят на елементарните биохимични реакции е малък, но малък е и броят на веригите от реакции, които се формират. Основните биохимични пътища са няколко на брой: гликолитична верига, пентозофосфатен цикъл, цикъл на Калвин, цикъл на лимонената киселина, пътя β-окисление и обратния му път на биосинтеза на мастни киселини, Орнитинов цикъл и т.н. (фиг. 26). Сложността на обмяната се обуславя не от броя на елементарните биохимични процеси и вещества, които участват в тях, а от разнообразието на техните съчетания и взаимодействия. Тенденцията към икономичност и стандартизация в метаболизма улеснява значително контрола и регулацията на обменните процеси.

Фигура 26. Основни метаболитни пътища и възлови метаболити.

3.1.1. Катаболизъм

Катаболитните процеси са процеси на разграждане, при които сложните органични молекули се разграждат до прости и малко на брой крайни продукти (фиг. 27). По своята химична природа те са окислителни процеси и се наричат дисимилационни. При катаболитните процеси се освобождава енергия (екзотермични или екзергонични процеси).

Характерна особеност на катаболизма е постепенността в разграждането на веществата, а от тук и поетапното освобождаване на енергията във форма, универсална за всяка биосистема – органичната молекула АТФ. Енергията, “затворена” в АТФ се използва за задоволяване на енергетичните нужди на организма (различен вид биологична работа, топлина). Основните функции на катаболизма е да осигури нужната енергия и градивни елементи за осъществяването на процеса на синтез (анаболизъм) на собствени специфични за организмите молекули. Естеството на процеса се различава при различните групи организми в зависимост от източниците на въглерод, електрони и енергия.

Според характера на катаболитните процеси организмите се разделят на:

• Аеробни – провеждат окислителните реакции в присъствие на кислород;
• Анаеробни – обменните процеси протичат в отсъствие на кислород.

Фигура 27. Взаимосвързаност на катаболитните процеси

3.1.2. Анаболизъм

Анаболитни са процесите, при които от малки молекули предшественици се извършва синтез на по-големи и специфични за организмите молекули (макромолекули - белтъци, нуклеинови киселини, полизахариди, фосфолипиди, витамини, хормони, невромедиатори). Обратно на катаболитните, анаболитните процеси са свързани с редукция на веществата. От химична гледна точка те са асимилационни, т.е. биосинтетични или градивни, протичат като редукционни с помощта на редуктори. Малките нискомолекулни вещества, усвоени от околната среда се превръщат в специфични за организма биополимери. Анаболитните процеси са свързани с поглъщане (използване) на енергия, т.е. те са ендергонични процеси. Класически пример за анаболитен процес е фотосинтезата.

3.2. Биоенергетиката като наука. Източници на енергия.

Биоенергетиката (биохимичната термодинамика), е част от биохимията, която изучава енергетичните промени, придружаващи биохимичните реакции. Законите на термодинамиката са приложими за биохимичните процеси. Първи закон гласи: “Енергията остава постоянна” и втори закон: “Спонтанните процеси увеличават безпорядъка във Вселената”.

Живите организми се подчиняват на общите закони на термодинамиката, но като отворени системи, при тях има важни особености:

1. не се достига до термодинамично равновесие, а се установява стационарно състояние;
2. могат да ползват само химичната енергия;
3. ендергонични процеси в организмите протичат за сметка на енергия, отделена при екзергоничните процеси и съхранена в макроергични връзки.

Съществуват три главни източника на енергия - светлина, неорганични вещества и органични вещества. Светлинната енергия се използва от автотрофните организми - фотосинтезиращите бактерии и растения. Тези организми трансформират енергията от фотоните на светлината в химична енергия под формата на АТФ за сметка на наличните хлорофилни пигменти.

В биологичните системи законите на биоенергениката са общи. Различават се три основни начина на преобразуване на енергия:

1. превръщане на светлинната енергия в химична;
2. превръщане на химичната енергия на редуцирани въглероди и някои неорганични съединения в биологически достъпна енергия, под формата на макроергични връзки;
3. използване на химичната енергия от макроергични връзки, за да се извърши в клетката различен вид работа (химична, механична, осмотична и др.).

Енергията е едно от основните свойства на материята и се изразява в способността й да извършва работа. Тя съществува в няколко основни форми - химична, електромагнитна (светлинна) и електрическа. Способността на живите организми да използват и да трансформират енергията е централен принцип на живия процес. Организмите не могат да използват топлинна енергия, основен източник за извършване на работа при тях може да бъде само химичната енергия. Светлината, която се използва от клетките на фотосинтезиращите бактерии, също се превръща в химична енергия при фотофосфорилирането. Електрическата енергия е важна междинна форма на енергийните превръщания.

В живите организми се извършват два типа противоположни, но взаимносвързани процеси:

1. процеси, които доставят енергия - те са окислителни, катаболитни и екзергонични. Такива процеси са напр. гликолиза, β-окисление на мастни киселини и пр., окислението в дихателната верига и др. Усилват се при гладуване и стрес.
2. процеси, които се нуждаят от енергия - те са редукционни, анаболитни и ендергонични. Такива процеси са биосинтезите, мускулното съкращение, нервното възбуждение, осмотична работа, клетъчно деление и др. Усилват се, когато има акумулирана енергия, излишъци от субстрати и в периоди на растеж и регенерация.

Обединяването или спрягането на тези два противоположни типа процеси става чрез макроергични (богати на енергия) вещества. В тях освободената при екзергоничните процеси енергия се акумулира в биологично използваема форма - в особени макроергични връзки, чрез чиято енергия се осигуряват ендергоничните жизнени процеси. Анаболитните и катаболитните процеси в организма са тясно свързани помежду си. Те изграждат и обясняват единната биохимична и енергийна същност на метаболизма.

Окислително-редукционните процеси протичат с пренасяне на електрони. Всички вещества, които са способни да се окисляват и служат като източник, на електрони (водород), се наричат донори на електрони (водород). Тъй като електроните не могат да съществуват самостоятелно, те трябва да бъдат пренесени на молекули, които могат да ги приемат и като се редуцират. Тези молекули се наричат акцептори на електрони (водород). В зависимост от крайния акцептор на електроните, метаболизма се разделя на аеробен или анаеробен.

Фигура 28. Аеробен метаболизъм (катаболизъм) – фази

При аеробният метаболизъм като краен акцептор на електроните участва молекулярния кислород. Пренасянето на водорода (електроните) от субстрата до молекулярния кислород се осъществява от система функционално свързани преносители, които образуват т.нар. дихателна верига. Тя е свързана с процесите, при които се синтезират молекули АТФ, т.нар. окислително фосфорилиране. Аеробният метаболизъм се състои от три фази (фиг.28):

1. разграждане на биополимери в храносмилателния тракт до мономери. В тази фаза няма окислителни реакции, не се синтезират макроергични съединения.
2. превръщане на мономерите в ацетил-КоА. Отделни разградни реакции на различни субстрати са окислителни (субстратно окисление). Синтезата на АТФ за сметка на енергия от субстратно окисление се означава като субстратно фосфорилиране.
3. разграждане на ацетил-КоА в цитратния цикъл до СО2 и Н2О.

Водородът, отделен от метаболити на цикъла на Кребс (ЦТК), попада в дихателната верига. При окислението му в нея се отделят значителни количества енергия, която се акумулира в АТФ (протича т.нар. окислително фосфорилиране).

Анаеробният метаболизъм се извършва без участието на молекулярен кислород. При него водородът, отнет от субстрата, се пренася на “свързан кислород” – в нитрат, сулфат, карбонат или други съединения. Окислението (отделяне на електрони) винаги се съпътства от редукция (приемане на електрони). При редокс-процеси електроните се придвижват от редокс- система с по-нисък редокс-потенциал към редокс-система с по-висок редокс- потенциал. Редокспотенциалът, изразяван чрез уравнението на Нернст, е количествен израз на афинитета на веществата към електроните.

3.3. Макроергични връзки и макроергични съединения.

Химична енергия се получава чрез химични реакции от органични или неорганични вещества. Клетките се запасяват с нея под формата на високоенергийни вещества (макроергични съединения), каквито са АТФ (∆Go'= -30,5 кJ/mol, фиг. 29), фосфоенолпируват (∆Go'= -62,2 кJ/mol), креатин фосфат (∆Go'= -43,3 кJ/mol), и ацетилфосфат (∆Go'= -31,4 кJ/mol). При хидролитичното разграждане на тези вещества се освобождава енергия, която клетките изразходват за биосинтез на специфични клетъчни вещества и структури, както и за други функции, като например растеж и развитие.

Структурата макроергичните съединения се характеризира с наличие на химични връзки, богати на енергия, които се наричат макроергични връзки и се бележат със знака „~". Макроергични са тези връзки, чието хидролитно разграждане променя стандартната свободна енергия ∆Go' най-малко с 30 кJ/mol (до 70 кJ/mol). При хидролитно разграждане на обикновени ковалентни връзки като естерни, гликозидни, пептидни (нормоергични връзки) ∆Go' се променя от 8 до 21 кJ/mol.

Фигура 29. Макроергични връзки на АТФ

В АТФ и в останалите нуклеозидтрифосфати има три фосфатни връзки: α, β и γ. Първата е обикновена естерна, а останалите две са макроергични (пирофосфатни). Най-често за работа се използва енергията на γ-връзката, и по-рядко тази на β-връзката. В АДФ и в останалите нуклеозиддифосфати има една макроергична пирофосфатна и една естерна връзкa (фиг. 27). Адениловата система (АДФ/АТФ) е посредник между екзергоничните и ендергоничните процеси. Окислително фосфорилиране е синтеза на АТФ от АДФ и неорганичен фосфат (Ф), за сметка на енергия, отделена при окислителен процес. Разграждането на АТФ до АДФ и Ф или до АМФ и пирофосфат (ФФ) осигурява протичането на ендергоничните процеси.

При стандартни условия ∆G^o' за реакцията:

АТФ + Н₂О → АДФ + Ф

e -30,5 KJ/mol. В живите клетки физиологичните концентрации на АТФ, АДФ и Ф не са 1 mol/l, а обикновено 5, 4 и 2,1 mmol/l, съответно за ∆G се получава стойността -42,7 KJ/mol. Адениловата система (АДФ/АТФ) има централна роля в биоенергетиката, поради междинната стойност за ∆Go' спрямо другите макроергични и нормоергични съединения. Тази междинна стойност позволява АДФ да поема енергия от други макроергични съединения - предшественици на АТФ, а полученият АТФ да отдава енергия на различни нормоергични съединения, за да ги активира.

ATФ служи най-общо като "свободна енергийна валута" за почти всички клетъчни процеси. Хидролизата на ATФ се използва за протичане на безброй биохимични реакции. Това е директен източник на енергия за клетъчното движение, мускулните контракции и специфичния транспорт на субстанции през клетъчните мембрани. Процесите на фотосинтеза и метаболизма на хранителни вещества се използват основно за продукция на ATФ. Вероятно не е преувеличение, ако наречем ATФ най-важната субстанция в биохимията.

ATФ се продуцира в клетката от АДФ като резултат от три типа фосфорилирания:

• субстратно-фосфорилиране;
• окислително-фосфорилиране;
• при растенията фотосинтетично фосфорилиране.

ATФ е източник на фосфатна енергия за синтезис на други нуклеозид трифосфати чрез реакцията:

ATФ + НДФ <=> AДФ + НТФ (катализира се от нуклеозид дифосфокиназа)

ATФ е също така алостеричен ефектор за много ензими.

AДФ е нуклеотид продуциран като резултат от хидролиза на АТФ в най- често протичащата реакция в клетките, доставяща енергия. AДФ участва в субстратното-фосфорилиране, окислителното-фосфорилиране и фотосинтетичното фосфорилиране. Не е възможно да се изброят всечки ензими, които взаимодействат с AДФ.

Метаболизма на AДФ е:

1. AДФ <=> ATФ + AMФ (катализира се от aденилат киназа).
2. ГMФ + ATФ <=> ГДФ + AДФ (катализира се от гуанилат киназа).
3. НДФ + ATФ <=> НТФ + AДФ (катализира се от нуклеозид дифосфокиназа).
4. AДФ + НАДФ.Н <=> дAДФ + НАДФ+ (катализира се от рибонуклеотид редуктаза).

AДФ се прехвърля в митохондриалния матрикс чрез аденин нуклеотид транслоказа и е лимитиращ реагент в окислителното фосфорилиране.