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+2h4PO4+2АДФ=2C3h5O3+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.

его этапы, последовательность, значение в биологии

Что такое АТФ?
  • Этапы энергетического обмена

  • Подготовительный этап энергетического обмена

  • Бескислородный этап энергетического обмена

  • Кислородный этап энергетического обмена

  • Энергетический обмен, видео
  • Энергетический обмен в клетке представляет собой общую деятельность химических реакций при распаде органических веществ. При этом происходит освобождение энергии, которая впоследствии идет на синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Значение энергетического обмена в биологии велико, именно с его помощью осуществляется клеточный метаболизм, а сама клетка обеспечивается необходимой энергией для ее функционирования и поддержания жизни.

    Что такое АТФ?

    Аденозинтрифосфорная кислота (она же АТФ) является постоянным источником энергии для клетки. Деятельность АТФ начинается с реакции фосфорилирования – добавления атомов фосфорного соединения к молекулам аденозиндифосфата (АДФ).

    Вот так выглядит строение молекулы АТФ.

    Как результат, расходуемая энергия накапливается в связях АДФ, чтобы после ее распада и гидролиза (взаимодействия с водой) поступить в материю в количестве 40 кДж. Говоря по простому, распад органических веществ способствует выделению энергии. А само выделение энергии, энергетический обмен, проходит через две или три стадии. И тут мы переходим к следующему пункту.

    Этапы энергетического обмена

    В целом существует три этапа энергетического обмена:

    • Подготовительный.
    • Безкислородный.
    • Кислородный.

    Так эти этапы или фазы энергетического обмена выглядят схематически:

    Но есть исключение. Таким исключением являются организмы, живущие без воздуха, так как они не нуждаются в поступлении кислорода, то энергетический обмен у них происходит только в два этапа. Кислород в этом процессе не участвует.

    Далее мы детально рассмотрим все этапы ЭО в живой природе.

    Подготовительный этап энергетического обмена

    На этой фазе совершается распад больших пищевых полимеров на более мелкие образования. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных существ осуществляется ферментативный пищеварительный распад, в то время как у существ одноклеточных он происходит при помощи лизосом (клеточных органоидов, ответственных за расщепление биополимеров).

    В это же время полисахариды (высокомолекулярные углеводы) распадаются на дисахариды и моносахариды. Затем белки превращаются в аминокислоты, а жиры в чистый глицерин и прочие жирные соединения.

    В результате описанных выше преобразований образуется определенное количество энергии в виде тепла. АТФ при этом еще не образуется. Зато полученные мономеры могут участвовать в метаболизме для синтеза веществ, необходимых для получения силы.

    Живая материя использует, прежде всего, углеводы, в то время как жиры, будучи источником энергии первого резерва, исчерпываются по окончании углеродного запаса. Исключением выступают скелетные мышцы, в них предпочтение отдается наличию жиров, а не глюкозе. Белки при этом расходуются гораздо позже, уже после исчерпания запасов углеводов и жиров.

    Бескислородный этап энергетического обмена

    Также второй этап энергетического обмена называется гликолизом. Происходит он в цитоплазме. Главная роль здесь отведена глюкозе, она же является основным источником освобожденной энергии. Анаэробный гликолиз осуществляется благодаря безкислородному распаду собственно глюкозы, с целью ее превращения в лактат. Уставшие спортсмены после интенсивной тренировки зачастую чувствуют это вещество в своих мышцах.

    Также на этом этапе происходит ферментативное деление органических частиц.

    Гликолиз представляет собой многоуровневый процесс бескислородного распада частиц глюкозы. Сама же глюкоза содержит шесть элементов водорода и две единицы пировиноградного соединения.

    Так выглядит гликолиз глюкозы.

    В ходе гликолиза при распадении 1 моля глюкозы выделяется 200 кДж энергии, 60% которых освобождается в виде тепла, а оставшиеся 40% идут на синтез нескольких частиц АТФ из нескольких частиц АДФ.

    Если же в окружении пировиноградного соединения вдруг оказывается кислород, то он переходит из цитоплазмы в митохондрию, еще один важный клеточный органоид, где проходит его участие в 3 этапе энергетического обмена клетки.

    Кислородный этап энергетического обмена

    Кислородный энергетический обмен более сложный, нежели гликолиз, он имеет более сложную структуру, проходит в несколько этапов, являясь, по сути, многоуровневым процессом при участии большого числа ферментов.

    В окончании третьего этапа формирования энергии из двух частиц СН3(СО)СООН получается CO2, Н2О и 36 элементов АТФ. Для АТФ создается запас в процессе бескислородного распада C6H12O6.

    3 этап энергетического обмена.

    Энергетический обмен, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.


    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.


    keepslide.com — Энергетический обмен Задание. Заполните…

    Энергетический обмен


    Задание. Заполните пропуски в тексте:
    Органические вещества образуются в растительных клетках из _____ и ________ в процессе ______________. Животные получают эти вещества в _________. В клетках гетеротрофных организмов при __________ органических веществ их энергия переходит в энергию ___________. При этом гетеротрофные организмы выделяют _____________ и __________ .
    СО2
    Н2О
    фотосинтеза
    готовом виде
    окислении
    АТФ
    СО2
    Н2О


    3
    Сравним анаболизм и катаболизм


    Энергетический обмен


    Метаболизм


    Пластический обмен
    Ассимиляция
    Анаболизм
    Энергетический обмен
    Диссимиляция
    Катаболизм


    Этапы энергетического обмена:
    1. Подготовительный 2. Бескислородный 3. Кислородное расщепление


    Укажите пункт, в котором правильно записан процесс расщепления органических веществ в организме животного:
    А) белки нуклеотиды углекислый газ и вода
    Б) жиры глицерин + жирные кислоты углекислый газ и вода
    В) углеводы моносахариды дисахариды углекислый газ и вода
    Г) белки аминокислоты вода и аммиак.


    Первый этап. Подготовительный этап:
    Белки
    аминокислоты
    Липиды
    глицерин + жирные кислоты
    Углеводы
    глюкоза


    Второй этап. Бескислородный этап.
    Гликолиз Неполное расщепление Анаэробное дыхание Брожение


    Гликолиз:
    С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ
    2С3Н6О3 + 2АТФ +2Н2О
    Молочная кислота


    Брожение
    Спиртовое брожение C6h22O6 —> 2C2H5OH + 2CO2 + 2АТФ глюкоза —> этиловый спирт + углекислота + энергия
    Молочно – кислое брожение C6h22O6 —> 2Ch4·CHOH·COOH + 2АТФ глюкоза —> молочная кислота + энергия


    Энергия
    60% выделяется в виде тепла
    40% идет на синтез АТФ


    На первом этапе своего расщепления глюкоза:
    А) окисляется до углекислого газа и воды Б) не изменяется В) подвергается брожению Г) расщепляется до двух трёхуглеродных молекул.


    Сколько молекул глюкозы необходимо расщепить без участия кислорода, чтобы получить 18 молекул АТФ:
    А) 18 Б) 36 В) 9 Г) 27


    Этапы энергетического обмена:
    1. Подготовительный 2. Бескислородный 3. Кислородное расщепление


    Третий этап. Кислородное расщепление:
    Гидролиз Аэробное дыхание


    Условия:
    Участие ферментов Участие молекул-переносчиков Наличие кислорода
    Целостность митохондриальных мембран


    Стадии аэробного дыхания:
    1) Окислительное декарбоксилирование 2) Цикл Кребса 3) Электронтранспортная цепь


    Окислительное декарбоксилирование
    С3Н4О3 + КоА + НАД СО2 + Ацетил-КоА + НАД*Н2
    С6Н12О6 2С3Н4О3 2С3Н6О3 Глюкоза ПВК Молочная кислота


    21
    Цикл Кребса – циклический ферментативный процесс полного окисления активированной уксусной кислоты (ПВК > ацетил-КоА) до углекислого газа и воды, который сопровождается освобождением большого количества энергии.


    Цикл Кребса:
    2Н +НАД НАД*Н2


    Выделение энергии:
    2600 кДж — на 2 моля С3Н6О3
    45%
    Рассеивается в виде тепла
    Сберегается в виде АТФ
    55%


    Кислородное расщепление:
    2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ+36Н3РО4 = 6СО2 +6Н2О + 36АТФ+36h3О


    Суммарное уравнение:
    1. С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4= 2С3Н6О3 + 2АТФ+2Н2О 2. 2С3Н6О3 +6О2 +36АДФ+36Н3РО4 = 6СО2+36АТФ+42Н2О ______________________________


    Суммарное уравнение:
    С6Н12О6+6О2+38АДФ+38Н3РО4
    = 6СО2 + 38АТФ + 44Н2О


    Окисление ПВК при аэробном дыхании происходит в:
    хлоропластах цитоплазме матриксе митохондриях


    Ступенчатость окисления глюкозы позволяет:
    Получить больше энергии Предохранить клетку от перегрева Экономнее расходовать кислород Сократить количество получаемой энергии


    Где протекает синтез АТФ:
    хлоропластах цитоплазме матриксе митохондриях


    Выводы:
    Синтез АТФ в процессе гликолиза не нуждается в мембранах. Он идёт в пробирке , если имеются все необходимые субстраты и ферменты.


    Выводы:
    Для осуществления кислородного процесса необходимо наличие неповреждённых митохондриальных мембран.


    Выводы:
    Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до СО2 и Н2О обеспечивает синтез 38 молекул АТФ


    Ответы: 1 – B,D; 2 – B,C; 3 – B; 4 – A; 5 – A,D.

    Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен

    «Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 классы». В.И. Сивоглазов (гдз)

    Вопрос 1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.
    Диссимиляция, или энергетический обмен, — это совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Диссимиляция у аэробных (кислорододышащих) организмов происходит в три этапа: 
    подготовительный — расщепление высокомолекулярных соединений до низкомолекулярных без запасания энергии;
    бескислородный — частичное бескислородное расщепление соединений, энергия запасается в виде АТФ; кислородный — окончательное расщепление органических веществ до углекислого газа и воды, энергия также запасается в виде АТФ.
    Диссимиляция у анаэробных (не использующих кислород) организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В данном случае органические вещества расщепляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.

    Вопрос 2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
    Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания — аденина, сахара — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки (биосинтез, трансмембранный перенос, движение, образование электрического импульса и др.). Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
    Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии.). При этом АТФ превращается в АДФ. Если произойдет отщепление второго остатка фофорной кислоты, АДФ превратится в АМФ. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекул АТФ в АДФ (или даже в АМФ).
    Синтез АТФ происходит в митохондриях.

    Вопрос 3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
    В эукариотических клетках синтез основной массы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением (запасанием) энергии. В пластидах АТФ образуется как промежуточный продукт световой стадии фотосинтеза.

    Вопрос 4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
    Энергетический обмен обычно подразделяют на три этапа. Первый этап — Подготовительный, называемый также пищеварением. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки — на аминокислоты, полисахариды — на простые сахара, жиры — на жирные кислоты и глицерин. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается и виде теплоты.
    Бескислородный. В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты:
    С6Н12О6   <——>  2С3Н403.
    Распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При этом 60% выделившейся энергии превращается в тепло, а 40% запасается в виде АТФ. При распаде одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Затем у анаэробных организмов происходит брожение — спиртовое (С2НС5ОН — этиловый спирт) или молочнокислое (С3Н403 — молочная кислота). У аэробных организмов наступает третий этап энергетического обмена.
    Кислородный. Этот этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием. Развитие клеточного дыхания у аэробных микроорганизмов и в клетках эукариот стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза в атмосфере Земли появился молекулярный кислород. Добавление к каталическому процессу стадии, осуществляющейся в присутствии кислорода, обеспечивает клетки мощным и эффективным путем извлечения из молекул питательных веществ и энергии.
    Реакции кислородного расщепления, или окислительного катаболизма, протекают в специальных органоидах клетки — митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты. После целого ряда прекращений образуются конечные продукты — СО2 и Н2О, которые затем диффундируют из клетки. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
    С6Н12О6 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ <——>  6СО2 + 6Н2О + 36АТФ.
    Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

    Урок «Энергетический обмен в клетке»

    Цель урока: Продолжить формирование знаний об обмене веществ, раскрыв сущность энергетического обмена, подвести учащихся к выводу о значении АТФ как универсального аккумулятора энергии в клетке; познакомить учащихся с особенностями трех этапов энергетического обмена на уровне восприятия, осмысления и первичного запоминания.

    Тип урока: изучение нового материала.

    Оборудование: интерактивная таблица “Энергетический обмен в клетке” (Приложение.)

    Ход урока

    I. Актуализация знаний: На доске записаны слова:

    Аденин, рибоза, энергия, остаток фосфорной кислоты, митохондрия, аккумулятор, макроэргическая связь.

    Учитель: Вспомните вещество, связанное со всеми выписанными словами, определите его роль в клетке?

    Ученики: вспоминают АТФ и ее роль в клетке.

    Учитель: Зачем организмам необходима энергия?

    Ученики: Рост, дыхание, питание и т.д.

    Учитель: – Итак, источником энергии для подавляющего большинства процессов в живых организмах является следующая реакция:

    АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + энергия.

    – Известно, что в среднем содержание АТФ в клетках составляет от 0,05% до 0,5% ее массы. Но практически все идущие в клетке биохимические реакции требуют затрат энергии молекул АТФ. Запаса АТФ в мышцах хватает только на 20–30 сокращений. Поэтому в клетках идет постоянный процесс синтеза АТФ.

    Следовательно, запас АТФ должен непрерывно пополняться на основе обратной реакции, идущей с затратой энергии:

    АДФ + Н3РО4 + энергия = АТФ + Н2О.

    Фронтальная беседа:

    Учитель: Откуда берется энергия для этой обратной реакции?

    – Откуда организмы ее могут получить? (Питательные вещества.)

    Сообщение темы и целей урока. Мы познакомимся с сущностью энергетического обмена, рассмотрим этапы энергетического обмена. Выясним, какое значение имеет энергетический обмен?

    II. Изучение нового материала.

    Работа со схемой “Способы получения энергии живыми существами”

    Комментарии учителя. Некоторые организмы, например, растения, могут преобразовывать в энергию АТФ энергию солнечных лучей на первом этапе фотосинтеза; хемосинтезирующие бактерии способны запасать энергию в форме АТФ, получаемую при химических реакциях окисления различных неорганических соединений. Особенности этих процессов мы рассмотрим на следующем занятии.

    Гетеротрофы получают необходимую энергию для их жизнедеятельности в результате окисления в клетках молекул органических веществ, поступающих вместе с пищей. Но следует отметить, что фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы также способны получать энергию благодаря окислению органических веществ, синтезированных в собственных клетках из неорганических соединений.

    В ходе биологического окисления расщепление сложных органических веществ осуществляется поэтапно и может идти двумя принципиально различными путями:

    1) бескислородное окисление органических веществ;

    2) кислородное окисление органических веществ до углекислого газа и воды.

    Начальные этапы обоих видов окисления протекают сходным образом.

    Учитель: Рассмотрим этапы энергетического обмена (работа с таблицей).

    Этапы энергетического обмена

      Подготовительный этап Бескислородный этап
    Гликолиз
    Кислородный этап
    Где происходит расщепление? В органах пищеварения, в клетках под действием ферментов Внутри клетки В митохондриях
    Чем активизируется расщепление? Ферментами пищеварительных соков Ферментами мембран клеток Ферментами митохондрий
    До каких веществ расщепляются соединения клетки? Белки – аминокислоты
    Жиры – глицерин и жирные кислоты
    Углеводы – глюкоза
    Глюкоза(С6Н12О6)
    2 молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) + энергия
    Пировиноградная кислота до СО2 и Н2О
    Сколько выделяется энергии? Мало, рассеивается в виде тепла. За счет 40% синтезируется АТФ, 60% рассеивается в виде тепла Более 60% энергии запасается в виде АТФ
    Сколько синтезируется энергии в виде АТФ? ____________ 2 молекулы АТФ 36 молекул АТФ

    В первую, подготовительную стадию, крупные молекулы распадаются на более простые: белки расщепляются до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов; липиды – до глицерина и высших жирных кислот.

    Этот процесс осуществляется в пищеварительном канале многоклеточных организмов, затем – в клетках под действием ферментов лизосом. Выделившаяся энергия в ходе превращения веществ, полностью рассеивается в виде тепла.

    Учитель:

    – Какая общая функция характерна для этих веществ?
    – Рационально ли тратить белки на получение энергии? Почему?
    – Какие вещества являются основным источником энергии?

    Считается, что ключевое место в метаболизме всех типов клеток занимают реакции с участием сахаров, например, глюкозы, поэтому на занятии мы рассмотрим путь окисления именно этого углевода.

    Второй этап – бескислородный, или неполное окисление. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин “брожение” обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений.

    Брожению могут подвергаться многие органические соединения, но чаще всего – углеводы, в результате чего образуются: спирт (этиловый), кислоты (молочная, масляная и др.), ацетон и другие органические соединения, углекислый газ, а в некоторых случаях и водород.

    По образующимся продуктам различают спиртовое, молочно – кислое, масляно-кислое и другие виды брожения. Но суть механизма всех видов брожения, несмотря на их многообразие, одна и та же. И заключается этот механизм в ферментативном расщеплении глюкозы, то есть в гликолизе, которое в самых разнообразных клетках протекает по одному и тому же сценарию без изменений.

    Гликолиз осуществляется в цитоплазме клеток и не требует кислорода. Он состоит из девяти последовательных реакций, каждая из которых катализируется общим ферментом. В ходе реакций гликолиза молекула глюкозы распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются две молекулы АТФ.

    Уравнение реакции приведено в учебнике.

    Дальнейшая судьба ПВК может быть различной в зависимости от того, какой тип извлечения энергии предпочитают организмы -анаэробный (бескислородный) или аэробный (кислородный).

    В случае анаэробных организмов или тканей животных, способных работать в условиях отсутствия или пониженного содержания кислорода, молекулы ПВК подвергаются дальнейшему преобразованию в зависимости от типа брожения до спирта (спиртовое брожение), молочной кислоты (молочнокислое брожение) и т.д. Недостатком процессов брожения является извлечение незначительной доли той энергии, которая заключена в связях органических молекул. Для многих одноклеточных и многоклеточных (особенно ведущих паразитический образ жизни) этого вполне достаточно.

    Но брожение является жизненно важным процессом и для других более высокоорганизованных существ.

    Например, спиртовое брожение происходит у хвойных растений зимой, когда устьица хвои закупориваются смолой, и газообмен с внешней средой прекращается.

    У человека также происходит процесс брожения. Вашему вниманию предлагается видеофрагмент, посмотрев который, вы должны ответить на вопросы:

    • В каком случае клетки мышц переходят на бескислородное дыхание?
    • Какой конечный продукт образуется в мышцах в результате гликолиза?
    • С чем связана боль в мышцах у нетренированного человека после физической нагрузки?

    Проблемный вопрос: Что необходимо сделать, чтобы уменьшить боль?

    Для того, чтобы ответить на вопрос, мы рассмотрим 3 стадию энергетического обмена. На третьей стадии энергетического обмена происходит дальнейшее окисление продуктов гликолиза до углекислого газа и воды с помощью окислителя О2 и ферментов.

    Этот этап получил название аэробного (кислородного) дыхания, или гидролиза. Он осуществляется в “энергетических станциях” клетки – митохондриях и связан с матриксом митохондрии и ее внутренними мембранами.

    Образовавшиеся в процессе гликолиза органические вещества поступают на ферментативный кольцевой “конвейер”, который называют в честь описавшего его ученого циклом Кребса. Все ферменты, катализирующие реакции этого цикла, локализованы в митохондриях. На всех стадиях этого процесса происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, воды и энергии, запасаемой в молекулах АТФ. Причем образование молекул АТФ сопряжено с ферментами, которые расположены на внутренней мембране митохондрий, обеспечивающих выделение энергии небольшими порциями, что позволяет запасать ее в химических связях АТФ.

    Процесс кислородного расщепления молочной кислоты можно выразить уравнением (в учебнике):

    3Н4О3 + 6О2+ 36 АДФ + 36 Н3РО4 –> 36 АТФ + 6СО2+ 42Н2О.

    Вопрос: Какой этап энергетического обмена наиболее выгоден и почему?

    Кислородное дыхание гораздо эффективнее гликолиза, так как полное окисление органических веществ приводит к выделению большого количества энергии, причем примерно 60% ее запасается в молекулах АТФ, а 40% рассеивается в виде тепла.

    Вопрос: Сколько всего образуется молекул АТФ в результате окисления одной молекулы глюкозы?

    (Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.)

    Процесс полного окисления глюкозы в клетке можно выразить общим суммарным уравнением:

    С6Н12О6 + 6О2 –> 6СО2 + 38 АТФ.

    Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.

    III. Первичная проверка усвоения знаний.

    Работа в группах: Каждой группе предлагается одинаковый набор карточек с названиями исходных веществ и продуктов на каждом этапе энергетического обмена. 1 группа выбирает вещества для подготовительного этапа, 2 группа для бескислородного расщепления, 3 группа для кислородного расщепления. При помощи магнитов укрепить выбранные карточки на доске.

    Белки
    Жиры
    Углеводы
    Аминокислоты
    Глицерин
    Жирные кислоты
    Глюкоза
    Пировиноградная кислота
    2 молекулы АТФ
    Кислород
    36 молекул АТФ
    СО2
    Н2О
     

    IV. Закрепление

    1. Работа учащихся с тестом.
    2. Решите задачу.

    Процесс окисления глюкозы в клетке сходен с горением. Как при горении, так и при дыхании глюкоза окисляется при участии молекулярного кислорода до конечных продуктов – углекислого газа и воды с выделением энергии. Объясните, чем же отличаются эти процессы, если их можно выразить общим суммарным уравнением:

    С6Н|2О6 + 6О2 –> 6СО2+ 6Н2О + Энергия?

    Вопрос: Какой из этапов энергетического обмена более древний и почему?

    1. На чем основывается утверждение ученых, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?
    2. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.
    • Ферментативный и бескислородный процесс распада органических веществ в клетке наблюдается у бактерий.
    • Совокупность окислительных процессов расщепления молекул органических веществ с участием кислорода – свойство клеток высших растений и большинства животных.

    Подведение итогов. Дом. задание.

    Рефлексия:

    Закончить предложение:

    • “Знания полученные на уроке мне необходимы…”
    • “Я получил полезную информацию о том, что…”

    Литература

    1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология.
    2. Введение в общую биологию и экологию: учеб. для 9 кл. общеобразоват. учреждений А.А. Каменский.– 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2005. – 303 с.
    3. Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс. – М.: ВАКО, 2006.– 464 с.

    Параграф 24. Энергетический обмен. Способы питания.

    1. Дайте определения диссимиляции (энергетического обмена).
    Диссимиляция – совокупность реакций расщепления, при котором выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

    2. Выберите и подчеркните правильный вариант ответа на вопрос.
    Какое из нижеперечисленных химических соединений является универсальным носителем энергии в клетке?
    Ответ: молочная кислота, глюкоза, АТФ, жирные кислоты, витамин С, хлорофилл, глицерин, аминокислоты.

    3. Назовите органоид клетки, в котором вырабатывается универсальный носитель энергии.
    Митохондрия.

    4. Перечислите основные этапы энергетического обмена.
    1. Подготовительный.
    2. Бескислородный (гликолиз).
    3. Аэробное дыхание (кислородное расщепление).

    5. Охарактеризуйте первый этап энергетического обмена по следующим позициям.
    1. Название этапа: Подготовительный.
    2. Исходные вещества: молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков, нуклеиновых кислот.
    3. Образующиеся продукты: глюкоза, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды.
    4. Энергетический выход: небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде теплоты.

    6. Охарактеризуйте второй этап энергетического обмена по следующим позициям.
    1. Название этапа: Бескислородный (гликолиз).
    2. Исходные вещества: глюкоза.
    3. Образующиеся продукты: молочная кислота, спирт, углекислый газ, уксусная кислота, ацетон.
    4. Энергетический выход: образуется 2 молекулы АТФ. В виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% энергии, а остальная рассеивается в виде тепла.

    7. Установите соответствие между двумя вариантами процессами брожения и их характеристиками.

    А. Молочнокислое брожение.
    Б. Спиртовое брожение.

    1. Источник энергии – глюкоза.
    2. Конечные продукты – диоксид углерода и этанол.
    3. Конечные продукты – молочная кислота.
    4. Не нуждается в кислороде.
    5. Выход энергии – две молекулы АТФ.
    6. КПД процесса – 40%.

    А: 1, 3, 4 ,5, 6.
    Б: 1, 2, 4 ,5, 6.

    8. Охарактеризуйте по следующим позициям этап энергетического обмена, в наибольшей мере обеспечивающий клетку энергией.
    1. Название этапа: аэробное дыхание.
    2. Условия реализации (зависимость от кислорода): в присутствии кислорода.
    3. Исходные вещества: молочная кислота и другие продукты, образовавшиеся во время 2 стадии.
    4. Образующиеся продукты: вода, углекислый газ.
    5. Морфологическая основа (локализация в клетке): митохондрии.
    6. Энергетический выход: 36 молекул АТФ.

    9. Закончите приведенную ниже классификацию живых организмов в зависимости от способов получения энергии.

    10. Установите соответствие между названием группы организмов и ее характеристикой.

    А. Автотрофы
    Б. Хемотрофы
    В. Фототрофы

    1. В качестве внешнего источника энергии используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях.
    2. В качестве внешнего источника энергии используют энергию света.
    3. В качестве внешнего источника энергии используют энергию, освобождающуюся при окислении органических соединений.

    А. 1, 2
    Б. 1
    В. 2.

    11. Ответьте, как называется процесс биосинтеза органических соединений из неорганических, идущий за счет световой энергии.
    Фотосинтез.

    12. Впишите недостающее слово.
    Процесс биосинтеза органических соединений из неорганических, идущий за счет энергии, освобождающейся при окислительно-восстановительных реакциях, называется хемосинтез.

    13. Установите соответствие.

    А. Автотрофы
    Б. Хемотрофы
    В. Фототрофы.

    1. зеленые растения
    2. нитрифицирующие бактерии
    3. железобактерии
    4. грибы
    5. животные

    А. 1, 2, 3
    Б. 2, 3
    В. 1.

    14. Выберите и впишите правильный вариант окончания утверждения.
    Источником молекулярного кислорода, образующегося в качестве побочного продукта при фотосинтезе, является (вода, диоксид углерода).

    15. Напишите суммарное уравнение фотосинтеза.
    6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

    16. Ответьте, какой процесс эффективнее.
    А) синтез АТФ при фотосинтезе в хлоропластах или
    Б) синтез АТФ в митохондриях с участием кислорода при дыхании растений
    И во сколько раз.
    В хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях того же растений при участии кислорода.

    17. Установите соответствие.

    А. Пластический обмен.
    Б. Энергетический обмен.

    1. Ферментативное расщепление гликогена.
    2. Разборка мембран отслуживших свой срок органелл.
    3. Самосборка биомембран.
    4. Окисление глюкозы до молочной кислоты.
    5. Самоудвоение ДНК.
    6. Биосинтез РНК на матрице ДНК.
    7. Спиртовое брожение.
    8. Присоединение жирных кислот к глицерину с образованием жиров
    9. Биосинтез глюкозы из диоксида углерода при участии света.

    А. 3, 5, 6, 8, 9.
    Б. 1, 2, 4, 7.


    Кислородный или аэробный этап энергетического обмена

    Следующий этап энергетического обмена, идущий за гликолизом,  — клеточное дыхание, или, как его еще называют, биологическое окисление. Это кислородный этап окисления органических соединений. Если рассматривать дыхание в широком смысле слова, то это процесс поглощения живыми организмами кислорода (О2) из окружающей среды и выделения ими углекислого газа (СО2). Этот процесс необходим для поддержания внутриклеточных окислительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен. Дыхание может быть внешним дыханием и тканевым или клеточным. Что такое внешнее дыхание понятно из названия. Так называют процесс газообмена между живым организмом и окружающей его средой.  Тканевое или клеточное дыхание (еще называют биологическое окисление) – совокупность ферментативных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций сложные органические вещества окисляются кислородом до углекислого газа, при этом освобождается энергия, запасаемая клетками в форме АТФ.

    Клеточное дыхание у растений, животных и большей части аэробных микроорганизмов начинается с отщепления СО2 (декарбоксилирования) от молекулы пировиноградной кислоты (пирувата), которая была образована в процессе гликолиза. Таким образом, гликолиз является необходимой подготовительной стадией клеточного дыхания при расщеплении углеводов. В процессе этой реакции от пирувата отрывается СО2 и образуется двухуглеродный остаток – радикал уксусной кислоты (ацетил-радикал). Этот двухуглеродный остаток  присоединяется к молекуле универсального переносчика углеводородных радикалов — кофермента А — с образованием ацетил-кофермента А (ацетил-КоА). В результате этой реакции НАД+ восстанавливается до НАДН. Ацетил-КоА и НАДН образуются и при окислении жирных кислот, которые также являются субстратами клеточного дыхания. В дальнейшем окисление ацетил-КоА происходит в цикле Кребса, а НАДН – в дыхательной цепи митохондрий. В цикл Кребса на различных стадиях могут вступать все аминокислоты. Таким образом, в цикле Кребса сходятся пути окисления и углеводов, и жиров, и белков.

    Отщепление молекулы углекислого газа от молекулы пировиноградной кислоты.

    Цикл Кребса (также его называют цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты) – это сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в результате которого остаток уксусной кислоты, полученный от ацетил-КоА, полностью окисляется до 2-х молекул СО2 с образованием 3-х молекул НАДН, одной молекулы ФАДН2 и одной молекулы ГТФ. Все ферменты цикла Кребса также, как и ферменты окисления жирных кислот, локализованы в матриксе митохондрий, а один фермент – сукцинатдегидрогеназа – находится во внутренней митохондриальной мембране.

    Цикл Кребса

    На первой стадии цикла Кребса остаток уксусной кислоты передается от ацетил-КоА на молекулу щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата) с образованием лимонной кислоты (цитрата), которая через промежуточную реакцию образования цис-аконитовой кислоты превращается в изолимонную кислоту (изоцитрат). От изолимонной кислоты отщепляется СО2 и 2 атома Н+, в результате чего образуется молекула НАДН и a-кетоглутаровая кислота (a-кетоглутарат), которая взаимодействует с молекулой кофермента А. При этом отщепляется вторая молекула СО2 и образуется еще одна молекула НАДН и богатое энергией соединение сукцинил-КоА, которое расщепляется с образованием свободной янтарной кислоты (сукцината), что сопровождается синтезом ГТФ из ГДФ и Фн. Янтарная кислота окисляется до фумаровой (фумарата) с образованием ФАДН2, фумаровая кислота с присоединением воды превращается в яблочную (малат), а яблочная кислота окисляется до щавелевоуксусной (оксалоацетата) с образованием НАДН. На этой стадии цикл Кребса замыкается, т.е. оксалоацетат может снова вступать в цикл и конденсироваться со следующим остатком уксусной кислоты с образованием цитрата.

    Таким образом, суммарную реакцию цикла Кребса можно описать следующим уравнением:

    Ацетил-КоА +3НАД+ + ФАД + ГДФ + Фн +3Н2О —> 2СО2 + 3НАДН + 3Н+ + ФАДН2 + ГТФ + КоА

    Энергия, освобождаемая при окислении ацетил-КоА, запасается в виде одной молекулы ГТФ (которая может превращаться в АТФ) и 4-х молекул восстановительных эквивалентов (3 молекулы НАДН и одна ФАДН2),
    которые могут или использоваться в различных процессах биосинтеза, или окисляться. Дальнейшее их окисление происходит в дыхательной цепи митохондрий, которая локализована во внутренней митохондриальной мембране. При окислении НАДН в дыхательной цепи митохондрий происходит отрыв от него электронов, и их перенос на молекулу кислорода. У аэробных бактерий дыхательная цепь расположена в специальных структурах плазматической мембраны – мезосомах, и в общих чертах напоминает дыхательную цепь митохондрий.

    Характеристики цикла Кребса
    Входящий субстрат

    Ацетилкоэнзим А — источником ацетильной группы являются пируват, жирные кислоты и аминокислоты.
    Источником некоторых интермедиатов являются аминокислоты.

    Локализация ферментов  Внутренние отделы митохондрий (матрикс)
    Образование АТФ

    Непосредственно в цикле образуется одна молекула ГТФ, которая может быть превращена в АТФ.
    Функционирует только в аэробных условиях, хотя непосредственно молекулярный кислород в этом метаболическом пути не используется.

    Образование коферментов 3НАДН + 3H+ и ФАДН2
    Конечные продукты

    Две молекулы CO2 на каждую молекулу ацетилкоэнзима А, входящую в цикл. Некоторые интермедиаты используются для синтеза аминокислот и других органических молекул, необходимых для осуществления функций клетки

    Суммарная реакция АцетилКоА + 3НАД+ + ФАД + ГДФ + Pi + 2H2O —> 2CO2 + KoA + 3НАДН + 3H+ + ФАДН2 + ГТФ

    Окислительное фосфорилирование начинается с окисления НАДН в дыхательной цепи митохондрий, сопровождающегося отщеплением двух электронов и протона (Н+). Окончательным акцептором этих электронов является О2, который соединяется с ионами Н+, находящимися в матриксе, с образованием Н2О. Электроны, отобранные от НАДН, передаются в дыхательной цепи от одного переносчика к другому, при этом они теряют свой восстановительный потенциал. Часть энергии, выделяемой при этом, рассеивается в виде тепла, но, кроме того, часть энергии тратится на создание на внутренней мембране митохондрий разности концентраций протонов (электрохимического потенциала) за счет их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.

    Разность концентраций протонов получается в результате того, что при переносе электронов от НАДН к кислороду происходит «перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство.

    «Перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство

     

    В результате работы дыхательной цепи митохондрий концентрация Н+ в межмембранном пространстве намного выше их концентрации в матриксе, это создает направленный внутрь митохондрий градиент концентрации протонов. Мембрана митохондрий является для них непроницаемой, т.е. можно сказать, что она работает как плотина гидроэлектростанции, удерживающая воду в водохранилище. Энергия данного градиента используется ферментом АТФ-синтетазой, переносящим в матрикс ионы Н+ и синтезирующим АТФ из АДФ и Фн.

    Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо перенести внутрь митохондрий 3 иона Н+ по градиенту концентрации, следовательно за счет окисления 1 молекулы НАДН может быть синтезировано 3 молекулы АТФ, а при окислении 1 молекулы ФАДН2 – 2 молекулы АТФ.

    Кроме того, часть энергии градиента концентрации протонов тратится на перенос через внутреннюю мембрану митохондрий различных веществ. Синтез АТФ в митохондиях ферментом АТФ-синтетазой называют окислительным фосфорилированием, подчеркивая связь этого процесса с окислением органических субстратов.

     

    Характеристики окислительного фосфорилирования
    Входящие субстраты

    Атомы водорода, полученные от НАДН + Н+ и ФАДН2.
    Молекулярный кислород.

    Локализация ферментов Внутренняя мембрана митохондрий
    Образование АТФ

    Три молекулы АТФ на каждую молекулу НАДН + Н+
    Две молекулы АТФ на каждую молекулу ФАДН2

    Конечный продукт H2O — одна молекула на каждую пару водородов, входящих в цепь
    Суммарная реакция

    1/4 O2 + НАДН + Н+ + 3АДФ + 3Pi —> H2O + НАД+ + 3АТФ

    Таким образом, в результате полного окисления глюкозы до углекислого газа CO2 и воды h3O образуется большое количество АТФ – 38 молекул. Две из них синтезируются в процессе гликолиза, а остальные 36 – при окислении пирувата. 1) при образовании одной молекулы пирувата в процессе гликолизе восстанавливается молекула НАДН, окисление которого в митохондриях дает 3 молекулы АТФ. 2) в процессе декарбоксилировании пирувата и образовании ацетил-КоА будет восстановлена еще 1 молекула НАДН (т.е. это 3 молекулы АТФ). 3) в цикле Кребса образуются 3 молекулы НАДН (это будет 9 молекул АТФ), 1 молекула ФАДН2 (плюс еще 2 молекулы АТФ) и 1 молекула ГТФ (обменивается своим терминальным макроэргическим фосфатом с АДФ, что дает еще 1 молекулу АТФ). Т.е., при полном окислении образовавшейся в гликолизе 1 молекулы НАДН и 1 молекулы пирувата получается 18 молекул АТФ, а 2-х – соответственно 36 молекул АТФ. С учетом того, что в процессе гликолиза образовались 2 молекулы АТФ, полный энергетический выход при окислении глюкозы до углекислого газа (CO2) и воды (h3O) в процессе клеточного дыхания, будет составлять 38 молекул АТФ.

    Полный энергетический выход окисления глюкозы до углекислого газа и воды в процессе клеточного дыхания составляет 38 молекул АТФ

    Итоговое уравнение данного процесса будет выглядеть следующим образом:

    С6H12O6 + 6О2 + 38АДФ + 38Фн —> 6CO2 + 6h3O + 38АТФ

    Эффективность полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды очень высока: от 55 до 70% освобождающейся энергии (в зависимости от конкретных  условий) запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ; остальная часть энергии рассеивается в виде тепла.

    Таким образом, основным продуктом реакций энергетического обмена является АТФ.

     Перейти к оглавлению.


    from your own site.

    III стадия катаболизма

    20.4 Стадия III катаболизма

    Цели обучения

    1. Опишите реакции цикла лимонной кислоты.
    2. Опишите функцию цикла лимонной кислоты и укажите производимые продукты.
    3. Опишите роль цепи переноса электронов в энергетическом обмене.
    4. Опишите роль окислительного фосфорилирования в энергетическом обмене.

    Ацетильная группа вступает в циклическую последовательность реакций, известную под общим названием цикл лимонной кислоты (или цикл Кребса или цикл трикарбоновой кислоты [TCA]). Циклическая последовательность реакций, которая вызывает окисление двухкомпонентного звена до диоксида углерода и воды. .. Циклическая схема этой сложной серии реакций, которые вызывают окисление ацетильной группы ацетил-КоА до диоксида углерода и воды, была впервые предложена Гансом Кребсом в 1937 году (он был удостоен Нобелевской премии по физиологии 1953 года. или медицина.) Вступление ацетил-КоА в цикл лимонной кислоты является началом III стадии катаболизма. Цикл лимонной кислоты производит аденозинтрифосфат (АТФ), восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (НАДН), восстановленный флавинадениндинуклеотид (FADH 2 ) и промежуточные продукты метаболизма для синтеза необходимых соединений.

    Этапы цикла лимонной кислоты

    На первый взгляд цикл лимонной кислоты кажется довольно сложным (Рисунок 20.12 «Реакции цикла лимонной кислоты»).Однако все реакции являются знакомыми типами в органической химии: гидратация, окисление, декарбоксилирование и гидролиз. Каждая реакция цикла лимонной кислоты пронумерована, и на рисунке 20.12 «Реакции цикла лимонной кислоты» два ацетильных атома углерода выделены красным. Каждое промежуточное соединение в цикле представляет собой карбоновую кислоту, существующую в виде аниона при физиологическом pH. Все реакции происходят в митохондриях, которые представляют собой небольшие органеллы в клетках растений и животных. Мы более подробно рассмотрим структуру митохондрий в разделе 20.5 «Этап II углеводного катаболизма».

    Рисунок 20.12 Реакции цикла лимонной кислоты

    В первой реакции ацетил-КоА входит в цикл лимонной кислоты, и ацетильная группа переносится на оксалоацетат, давая цитрат. Обратите внимание, что на этой стадии высвобождается кофермент А. Реакция катализируется цитрат-синтазой .

    На следующем этапе аконитаза , катализирует изомеризацию цитрата в изоцитрат.В этой реакции третичный спирт, который не может быть окислен, превращается во вторичный спирт, который можно окислить на следующей стадии.

    Затем изоцитрат

    подвергается реакции, известной как окислительное декарбоксилирование, потому что спирт окисляется, и молекула укорачивается на один атом углерода с высвобождением диоксида углерода (декарбоксилирование). Реакция катализируется изоцитратдегидрогеназой , а продуктом реакции является α-кетоглутарат. Важной реакцией, связанной с этим, является восстановление кофермента никотинамидадениндинуклеотида (NAD + ) до NADH.НАДН в конечном итоге повторно окисляется, и высвобождаемая энергия используется для синтеза АТФ, как мы увидим.

    Четвертая стадия — это еще одно окислительное декарбоксилирование. На этот раз α-кетоглутарат превращается в сукцинил-КоА, а другая молекула NAD + восстанавливается до NADH. Комплекс α-кетоглутаратдегидрогеназы катализирует эту реакцию. Это единственная необратимая реакция в цикле лимонной кислоты. Таким образом, он предотвращает работу цикла в обратном направлении, в котором ацетил-КоА будет синтезироваться из диоксида углерода.

    Комментарий : До сих пор на первых четырех этапах два атома углерода вошли в цикл как ацетильная группа, а два атома углерода высвобождались как молекулы диоксида углерода. Остальные реакции цикла лимонной кислоты используют четыре атома углерода сукцинильной группы для повторного синтеза молекулы оксалоацетата, который является соединением, необходимым для объединения с входящей ацетильной группой и начала следующего цикла цикла.

    В пятой реакции энергия, выделяемая при гидролизе высокоэнергетической тиоэфирной связи сукцинил-КоА, используется для образования гуанозинтрифосфата (ГТФ) из гуанозиндифосфата (GDP) и неорганического фосфата в реакции, катализируемой сукцинил-КоА. синтетаз .Эта стадия — единственная реакция в цикле лимонной кислоты, которая непосредственно образует высокоэнергетическое фосфатное соединение. GTP может легко переносить свою концевую фосфатную группу на аденозиндифосфат (ADP) для генерации АТФ в присутствии нуклеозиддифосфокиназы .

    Сукцинатдегидрогеназа затем катализирует удаление двух атомов водорода из сукцината с образованием фумарата. В этой окислительно-восстановительной реакции в качестве окислителя используется флавинадениндинуклеотид (FAD), а не NAD + .Сукцинатдегидрогеназа — единственный фермент цикла лимонной кислоты, расположенный внутри внутренней митохондриальной мембраны. Скоро мы увидим важность этого.

    На следующем этапе молекула воды добавляется к двойной связи фумарата с образованием L-малата в реакции, катализируемой фумаразой .

    Один оборот цикла завершается окислением L-малата до оксалоацетата, вызываемым малатдегидрогеназой . Это третья окислительно-восстановительная реакция, в которой в качестве окислителя используется NAD + .Оксалоацетат может принимать ацетильную группу от ацетил-КоА, позволяя циклу снова начинаться.

    Клеточное дыхание

    Дыхание можно определить как процесс, при котором клетки окисляют органические молекулы в присутствии газообразного кислорода с образованием углекислого газа, воды и энергии в форме АТФ. Мы видели, что два атома углерода входят в цикл лимонной кислоты из ацетил-КоА (этап 1), а два разных атома углерода выходят из цикла в виде диоксида углерода (этапы 3 и 4).Однако нигде в нашем обсуждении цикла лимонной кислоты мы не указывали, как используется кислород. Напомним, однако, что на четырех стадиях окисления-восстановления, происходящих в цикле лимонной кислоты, кофермент NAD + или FAD восстанавливается до NADH или FADH 2 соответственно. Кислород необходим для повторного окисления этих коферментов . Напомним также, что очень мало АТФ получается непосредственно из цикла лимонной кислоты. Вместо этого участие кислорода и значительная продукция АТФ происходят после цикла лимонной кислоты двумя путями, которые тесно связаны: перенос электронов и окислительное фосфорилирование.

    Все ферменты и коферменты для цикла лимонной кислоты, повторного окисления NADH и FADH 2, и производства АТФ расположены в митохондриях Маленькие овальные органеллы с двойными мембранами; «энергетические установки» клетки, которые представляют собой маленькие овальные органеллы с двойными мембранами, часто называемые «энергетическими установками» клетки (рис. 20.13 «Дыхание»). Клетка может содержать от 100 до 5000 митохондрий, в зависимости от ее функции, и митохондрии могут воспроизводить себя, если потребности клетки в энергии увеличиваются.

    Рисунок 20.13 Дыхание

    В митохондриях происходит клеточное дыхание.

    Рисунок 20.13 «Дыхание» показывает две мембраны митохондрии: внешнюю и внутреннюю . Внутренняя мембрана сильно сложена в серию внутренних гребней, называемых cristae . Таким образом, в митохондриях есть два отсека: межмембранное пространство , , которое находится между мембранами, и матрица , , которая находится внутри внутренней мембраны.Наружная мембрана проницаема, тогда как внутренняя мембрана непроницаема для большинства молекул и ионов, хотя вода, кислород и углекислый газ могут свободно проникать через обе мембраны. Матрикс содержит все ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением сукцинатдегидрогеназы, которая встроена во внутреннюю мембрану. Ферменты, которые необходимы для повторного окисления NADH и FADH 2 и производства АТФ, также расположены во внутренней мембране. Они расположены на определенных позициях, поэтому действуют аналогично бригаде ковшей.Эта высокоорганизованная последовательность окислительно-восстановительных ферментов известна как цепь переноса электронов (или дыхательная цепь). Организованная последовательность окислительно-восстановительных реакций, которая в конечном итоге переносит электроны к кислороду, восстанавливая его до воды.

    Электронный транспорт

    Рисунок 20.14 «Митохондриальная цепь переноса электронов и АТФ-синтаза» иллюстрирует организацию цепи переноса электронов. Компоненты цепи организованы в четыре комплекса, обозначенные I, II, III и IV.Каждый комплекс содержит несколько ферментов, другие белки и ионы металлов. Ионы металлов можно восстанавливать, а затем многократно окислять по мере перехода электронов от одного компонента к другому. Вспомните из главы 5 «Введение в химические реакции», раздела 5.5 «Окислительно-восстановительные (окислительно-восстановительные) реакции», что соединение восстанавливается, когда оно приобретает электроны или атомы водорода, и окисляется, когда оно теряет электроны или атомы водорода.

    Рисунок 20.14 Митохондриальная электронная транспортная цепь и АТФ-синтаза

    Красная линия показывает путь электронов.

    Электроны могут входить в цепь переноса электронов через комплекс I или II. Сначала мы рассмотрим электроны, входящие в комплекс I. Эти электроны происходят из НАДН, который образуется в трех реакциях цикла лимонной кислоты. Давайте возьмем стадию 8 в качестве примера, реакцию, в которой L-малат окисляется до оксалоацетата, а NAD + восстанавливается до NADH. Эту реакцию можно разделить на две половинные реакции:

    Полуреакция окисления :

    Полуреакция восстановления :

    В ходе полуреакции окисления два иона водорода (H + ) и два электрона удаляются с подложки.В полуреакции восстановления молекула NAD + принимает оба этих электрона и один из ионов H + . Другой ион H + транспортируется из матрикса через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство. НАДН диффундирует через матрицу и связывается комплексом I транспортной цепи электронов. В комплексе кофермент флавинмононуклеотид (FMN) принимает оба электрона от NADH. Пропуская электроны, НАДН окисляется обратно до НАД + , а FMN восстанавливается до FMNH 2 (восстановленная форма флавинмононуклеотида).Опять же, реакцию можно проиллюстрировать, разделив ее на соответствующие полуреакции.

    Полуреакция окисления :

    Полуреакция восстановления :

    Комплекс I содержит несколько белков, которые имеют центры железо-сера (Fe · S). Электроны, восстановившие FMN до FMNH 2 , теперь переносятся на эти белки. Ионы железа в центрах Fe · S сначала находятся в форме Fe (III), но, принимая электрон, каждый ион восстанавливается до формы Fe (II).Поскольку каждый центр Fe · S может переносить только один электрон, необходимы два центра, чтобы принять два электрона, которые будут регенерировать FMN.

    Полуреакция окисления :

    FMNH 2 → FMN + 2H + + 2e

    Полуреакция восстановления :

    2Fe (III) · S + 2e → 2Fe (II) · S

    Электроны из FADH 2 , образованные на стадии 6 цикла лимонной кислоты, входят в цепь переноса электронов через комплекс II.Сукцинатдегидрогеназа, фермент в цикле лимонной кислоты, который катализирует образование FADH 2 из FAD, является частью комплекса II. Электроны от FADH 2 затем переносятся на белок Fe · S.

    Полуреакция окисления :

    FADH 2 → FAD + 2H + + 2e

    Полуреакция восстановления :

    2Fe (III) · S + 2e → 2Fe (II) · S

    Электроны из комплексов I и II затем переносятся от белка Fe · S к коферменту Q (CoQ), мобильному переносчику электронов, который действует как переносчик электронов между комплексами I или II и комплексом III.

    Примечание

    Коэнзим Q также называют убихиноном , потому что он повсеместно встречается в живых системах.

    Полуреакция окисления :

    2Fe (II) · S → 2Fe (III) · S + 2e

    Полуреакция восстановления :

    Комплексы III и IV включают несколько железосодержащих белков, известных как цитохромы. Белок, содержащий порфирин железа, в котором железо может чередоваться между Fe (II) и Fe (III).. Железо в этих ферментах находится в субструктурах, известных как порфирины железа (рис. 20.15 «Порфирин железа»). Подобно центрам Fe · S, характерной особенностью цитохромов является способность их атомов железа существовать либо в виде Fe (II), либо в виде Fe (III). Таким образом, каждый цитохром в его окисленной форме — Fe (III) — может принимать один электрон и восстанавливаться до формы Fe (II). Это изменение степени окисления обратимо, поэтому восстановленная форма может отдать свой электрон следующему цитохрому и так далее. Комплекс III содержит цитохромы b и c, а также белки Fe · S, причем цитохром c действует как переносчик электронов между комплексом III и IV.Комплекс IV содержит цитохромы а и 3 в ферменте, известном как цитохромоксидаза . Этот фермент обладает способностью передавать электроны молекулярному кислороду, последнему акцептору электронов в цепи реакций переноса электронов. На этом заключительном этапе образуется вода (H 2 O).

    Полуреакция окисления :

    4Cyt a 3 –Fe (II) → 4Cyt a 3 –Fe (III) + 4e

    Полуреакция восстановления :

    O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O

    Рисунок 20.15 Железный порфирин

    Порфирины железа присутствуют в цитохромах, а также в миоглобине и гемоглобине.

    Окислительное фосфорилирование

    Каждое промежуточное соединение в цепи переноса электронов восстанавливается путем добавления одного или двух электронов в одну реакцию, а затем восстанавливается до своей исходной формы путем доставки электронов к следующему соединению по цепи. Последовательные передачи электронов приводят к производству энергии.Но как эта энергия используется для синтеза АТФ? Процесс, который связывает синтез АТФ с работой цепи переноса электронов, называется окислительным фосфорилированием. Процесс, который связывает синтез АТФ с работой цепи переноса электронов.

    Электронный транспорт тесно связан с окислительным фосфорилированием. Коферменты НАДН и ФАДН 2, окисляются дыхательной цепью только , если АДФ одновременно фосфорилируется до АТФ.В настоящее время принятая модель, объясняющая, как эти два процесса связаны между собой, известна как хемиосмотическая гипотеза , предложенная Питером Митчеллом, в результате чего Митчелл был удостоен Нобелевской премии по химии 1978 года.

    Снова посмотрев на рисунок 20.14 «Митохондриальная цепь переноса электронов и АТФ-синтаза», мы видим, что по мере того, как электроны переносятся по цепи переноса электронов, ионы водорода (H + ) переносятся через внутреннюю митохондриальную мембрану из матрикса. в межмембранное пространство.Концентрация H + уже выше в межмембранном пространстве, чем в матрице, поэтому для транспортировки туда дополнительного H + требуется энергия. Эта энергия возникает из-за реакций переноса электрона в цепи переноса электронов. Но как тогда резкая разница в концентрации H + приводит к синтезу АТФ? Накопление ионов H + в межмембранном пространстве приводит к ионному градиенту H + , который является большим источником энергии, как вода за плотиной (потому что, если есть возможность, протоны будут вытекать из межмембранного пространства и в менее концентрированную матрицу).Текущие исследования показывают, что поток H + вниз по этому градиенту концентрации через пятый ферментный комплекс, известный как АТФ-синтаза, приводит к изменению структуры синтазы, вызывая синтез и высвобождение АТФ.

    В клетках, которые используют энергию, оборот АТФ очень высок, поэтому эти клетки содержат высокие уровни АДФ. Поэтому они должны постоянно потреблять большое количество кислорода, чтобы иметь энергию, необходимую для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.Рассмотрим, например, что скелетные мышцы в состоянии покоя потребляют около 30% кислорода, потребляемого взрослым в состоянии покоя, но когда одни и те же мышцы интенсивно работают, на них приходится почти 90% общего потребления кислорода организмом.

    Эксперимент показал, что 2,5–3 молекулы АТФ образуются на каждую молекулу НАДН, окисляемую в цепи переноса электронов, и 1,5–2 молекулы АТФ образуются на каждую молекулу окисленного FADH 2 . Таблица 20.2 «Максимальный выход АТФ от полного окисления 1 моля ацетил-КоА» суммирует теоретический максимальный выход АТФ, полученного при полном окислении 1 моль ацетил-КоА посредством последовательного действия цикла лимонной кислоты, электронного транспортная цепь и окислительное фосфорилирование.

    Таблица 20.2 Максимальный выход АТФ от полного окисления 1 моль ацетил-КоА

    Реакция Комментарии Выход АТФ (моль)
    Изоцитрат → α-кетоглутарат + CO 2 производит 1 моль НАДН
    α-кетоглутарат → сукцинил-КоА + CO 2 производит 1 моль НАДН
    Сукцинил-КоА → сукцинат производит 1 моль GTP +1
    сукцинат → фумарат производит 1 моль FADH 2
    Малат → оксалоацетат производит 1 моль НАДН
    1 FADH 2 из цикла лимонной кислоты дает 2 моль АТФ +2
    3 НАДН из цикла лимонной кислоты дает 3 моль АТФ / НАДН +9
    Чистый выход ATP: +12

    Упражнения по обзору концепции

    1. Какова основная функция цикла лимонной кислоты?

    2. Два атома углерода вводятся в цикл лимонной кислоты в виде ацетил-КоА.В какой форме два атома углерода удаляются из цикла?

    3. Что такое митохондрии и какова их функция в клетке?

    ответов

    1. полное окисление атомов углерода до диоксида углерода и образование высокоэнергетического фосфатного соединения, богатых энергией восстановленных коферментов (НАДН и ФАДН 2 ) и промежуточных продуктов метаболизма для синтеза других соединений

    2. Митохондрии — это небольшие органеллы с двойной мембраной, которые содержат ферменты и другие молекулы, необходимые для производства большей части АТФ, необходимого организму.

    Ключевые выводы

    • Ацетильная группа ацетил-КоА входит в цикл лимонной кислоты. Для каждого ацетил-КоА, который входит в цикл лимонной кислоты, продуцируются 2 молекулы диоксида углерода, 3 молекулы НАДН, 1 молекула АТФ и 1 молекула FADH 2 .
    • Восстановленные коферменты (NADH и FADH 2 ), продуцируемые циклом лимонной кислоты, повторно окисляются реакциями цепи переноса электронов.Эта серия реакций также вызывает градиент pH на внутренней митохондриальной мембране.
    • Градиент pH, создаваемый цепью переноса электронов, стимулирует синтез АТФ из АДФ. На каждый повторно окисленный НАДН продуцируется 2,5–3 молекулы АТФ; на каждый повторно окисленный FADH 2 продуцируется 1,5–2 молекулы АТФ.

    Упражнения

    1. Замените каждый вопросительный знак правильным составом.

      1. ? → изоцитрат аконитазы
      2. ? +? → цитрат-синтаза цитрат + кофермент А
      3. фумарат → фумараза?
      4. изоцитрат + НАД + →? α-кетоглурат + НАДН + СО2
    2. Замените каждый вопросительный знак правильным составом.

      1. малат + НАД + →? оксалоацетат + НАДН
      2. ? +? → нуклеозид дифосфокиназа GDP + ATP
      3. сукцинил-КоА → сукцинил-КоА синтетаза? +?
      4. сукцинат + FAD → сукцинатдегидрогеназа? + ФАДх3
    3. Из реакций в Упражнениях 1 и 2 выберите уравнение (я) по номеру и букве, в котором происходит каждый тип реакции.

      1. изомеризация
      2. гидратация
      3. синтез
    4. Из реакций в Упражнениях 1 и 2 выберите уравнение (я) по номеру и букве, в котором происходит каждый тип реакции.

      1. окисление
      2. декарбоксилирование
      3. фосфорилирование
    5. Какую аналогичную роль кофермент Q и цитохром c выполняют в цепи переноса электронов?

    6. Что такое акцептор электронов в конце цепи переноса электронов? В какой продукт восстанавливается это соединение?

    7. Какова функция цитохромов в цепи переноса электронов?

      1. Что подразумевается под этим утверждением? «Электронный транспорт тесно связан с окислительным фосфорилированием.”
      2. Как связаны или связаны электронный транспорт и окислительное фосфорилирование?

    ответов

      1. цитрат
      2. оксалоацетат + ацетил-КоА
      3. малат
      4. α-кетоглутарат гидрогеназный комплекс
      1. реакция в 1а
      2. реакция в 1c
      3. реакция в 1b
    1. Обе молекулы служат переносчиками электронов между комплексами цепи переноса электронов.

    2. Цитохромы представляют собой белки в цепи переноса электронов и служат одноэлектронными переносчиками.

    Энергетический метаболизм — обзор

    Регуляция энергетического метаболизма

    Энергетический метаболизм представляет собой наиболее важную функцию организма и влияет на расход энергии.Это имеет первостепенное значение для основного обмена веществ, роста и физической активности человека. Энергия, полученная из питательных веществ, управляет жизненно важными клеточными функциями человека и необходима для выживания. Используя сложные биохимические пути, химическая энергия, хранящаяся в макроэлементах (углеводах, жирах и белках), преобразуется в другие формы энергии, такие как тепло и аденозинтрифосфат . Регуляция метаболизма на клеточном уровне зависит от сложной нейрогормональной системы, которая реагирует на различные раздражители и контролирует использование субстрата в отдельных клетках.Общей целью этого процесса регулирования является поддержание энергетического баланса, и важно понимать эти пути преобразования пищи в пригодное для использования топливо.

    Важность центральной нервной системы (ЦНС) в регуляции массы тела была известна в течение последних 100 лет. Было идентифицировано несколько факторов, включая механические, гормональные, нервные и метаболические, которые действуют как периферические сигналы при отправке информации в ЦНС для регулирования метаболизма субстрата. ЦНС обрабатывает эти сигналы и интегрирует ответ, чтобы изменить механизмы управления, поддерживающие энергетический баланс.Было высказано предположение, что энергетический баланс поддерживается за счет регулирования жировых отложений посредством механизма обратной связи с опосредованными определенными процессами. В этих процессах гормоны лептин и инсулин посылают в ЦНС сигналы о запасах жира в организме и участвуют в контроле массы тела. И лептин, и инсулин проникают через гематоэнцефалический барьер и взаимодействуют с рецепторами гипоталамуса; Было описано, что два типа нейронов в этой области обладают противоположным действием (анорексигенным или анаболическим) действием лептина и концентраций инсулина, и именно благодаря этому опосредованному эффекту достигается энергетический баланс.

    Были описаны другие факторы, регулирующие энергетический баланс ЦНС, включая сигналы от желудочно-кишечного тракта и от питательных веществ (например, глюкозы, жирных кислот и аминокислот). Среди гормонов сытости, секретируемых кишечником в ответ на присутствие субстрата, находятся холецистокинин, амилин, пептид YY, аполипопротеин А, глюкагоноподобный пептид-1 и грелин. Концентрация различных субстратов отправляет в ЦНС обратную связь об энергетическом статусе тела. Наблюдение за тем, что более низкие или высокие уровни глюкозы в крови вызывают изменения в пищевом поведении, привело к хорошо известному факту, что ЦНС использует несколько молекул сахара в качестве сигналов для регулирования потребления пищи.Хотя нейроны получают большую часть своей энергии за счет окисления глюкозы, а не жира, исследования на животных показали, что введение ингибиторов синтазы жирных кислот вызывает анорексию и потерю веса. Недавно исследования показали влияние потребления различных количеств аминокислот на центральную регуляцию сытости, при этом диета с высоким содержанием белка приводит к снижению потребления пищи. С другой стороны, было показано, что введение нескольких аминокислот (например, лейцина и валина) оказывает противоположное влияние на потребление пищи.

    Таким образом, ЦНС является важным и жизненно важным компонентом регуляции энергетического обмена. Гормональная секреция и регуляция обратной связи со стороны ЦНС, желудочно-кишечными факторами, а также потребление и метаболизм субстратов важны для достижения энергетического гомеостаза.

    Энергетический метаболизм | SpringerLink

    Энергетический метаболизм кинетопластидных жгутиконосцев охарактеризован лучше, чем метаболизм любой другой группы простейших паразитов. Большая часть знаний о биоэнергетике этих организмов получена в результате исследований Trypanosoma brucei, T.cruzi и несколько Leishmania spp. Эта работа раскрыла множество метаболических свойств, уникальных для кинетопластид, хотя большие различия в метаболизме также существуют между различными видами и стадиями этих организмов.

    Длинные тонкие трипомастиготы кровотока T. brucei для производства энергии полностью полагаются на гликолиз, при этом пируват является единственным конечным продуктом (рис. 1). По этому пути одна молекула глюкозы превращается в 2 молекулы пирувата с чистым синтезом 2 молекул АТФ.Глюкоза сначала расщепляется до 3-фосфоглицерата в связанных с мембраной микротелоподобных органеллах, называемых гликозомами, которые уникальны для отряда Kinetoplastida. Образующийся 3-фосфоглицерат затем разлагается в цитозоле до пирувата. В отличие от анаэробной лактатной ферментации, при которой восстанавливающие эквиваленты, генерируемые окислением глицеральдегид-3-фосфата, в конечном итоге переходят в пируват (что приводит к образованию лактата), в T. brucei молекулярный кислород служит концевым акцептором электронов, что приводит к образованию воды, катализируемой растительной альтернативной оксидазой, которая присутствует во внутренней мембране единственной митохондрии трипаносомы (рис.1). Рисунок 1

    Схематическое изображение путей, участвующих в метаболизме углеводов и аминокислот в кровотоке (левая панель) и проциклической (правая панель) форме. Trypanosoma brucei . Субстраты показаны овалами, а конечные продукты — в прямоугольниках. Заштрихованные широкие стрелки на фоне TCA-цикла представляют функции тех частей цикла, которые активны в проциклических формах. Темная стрелка указывает на поток от пирувата и оксалоацетата в цитрат при транспортировке единиц ацетил-КоА из митохондрии в цитозоль, заштрихованная промежуточная стрелка представляет ту часть цикла, которая используется для разложения пролина и глутамата до сукцинат, тогда как слегка заштрихованный указывает на часть цикла, которая используется во время гликонеогенеза.Из глицерин-3-фосфатного челнока показаны только компоненты, а перемещение дигидроксиацетонфосфата и глицерин-3-фосфата между гликозомами и митохондрией не показано. AA , аминокислота; AOX , альтернативная оксидаза растительного происхождения; CI , II , III и IV , комплекс I, II, III и IV дыхательной цепи; c , цитохром c; FAS , жирно-ацильный синтез; Glu , глутамат; α KG , α-кетоглутарат; OA , оксокислота; PPP , пентозофосфатный путь; Q , убихинон.

    Все гликолитические ферменты, необходимые для превращения глюкозы в 3-фосфоглицерат, локализованы в гликозомах (рис. 1). Эти органеллы, родственные пероксисомам у других эукариот, уникальны для жгутиконосцев трипаносоматид, таких как Трипаносома , Leishmania , Phytomonas и Критидия . Гликосомы ограничены единственной мембраной, чрезвычайно однородной по размеру, имеют диаметр около 0,3 мкм и составляют более 4% от общего объема клетки.В T. brucei , более 200 гликозом присутствует в организме, в то время как у других родов эти органеллы не так многочисленны.

    Возможные функциональные преимущества экстремальной субклеточной компартментации и ассоциации ферментов в трипаносомной клетке все еще обсуждаются. Около 90% содержания гликозомального белка состоит из гликолитических ферментов, которые, по-видимому, находятся в тесном взаимодействии. Первоначально предполагалось, что компартментализация гликолиза в гликозоме позволяет паразиту поддерживать высокую скорость гликолиза из-за высокой концентрации субстратов и ферментов, которые обеспечивают некоторый вид каналов в этом пути.Однако нет никаких экспериментальных доказательств канализации метаболитов в трипаносомах. Кроме того, расчеты, выполненные во время моделирования гликолиза в трипаносомах кровотока, показали, что компартментация ферментов в гликозомах не является необходимой для получения наблюдаемого гликолитического потока. Даже если гликолитические ферменты не были изолированы в одном отделении, диффузия не должна контролировать гликолитический поток в Т. brucei . Кроме того, T. brucei действительно имеет довольно высокий гликолитический поток по сравнению с тканями млекопитающих, но аналогичные и даже более высокие потоки наблюдаются и у других микроорганизмов, которые не обладают гликосомами.Кроме того, все кинетопластиды имеют гликосомы, включая те, которые не только зависят от гликолиза для выработки энергии. Недавнее кинетическое моделирование показало, что концентрация ферментов в гликосомах защищает трипаносому от истощения фосфатов или осмотического шока, вызванного неограниченным накоплением сахарных фосфатов, и что это защищает клетку от неспособности восстановиться после депривации глюкозы. Гликосомный метаболизм также участвует в CO. 2 фиксация и в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и эфир-липидов.

    В анаэробных условиях трипомастиготы кровотока превращают глюкозу в эквимолярные количества пирувата и глицерина (рис. 1). В этих условиях ожидается накопление высоких концентраций глицерин-3-фосфата и АДФ внутри гликозом. Это позволяет глицерин киназе (которая присутствует с чрезвычайно высокой удельной активностью в трипаносомах, способных продуцировать глицерин при анаэробиозе) двигаться в необычном направлении образования АТФ. Как показано на рис. 1, анаэробный гликолиз дает 1 АТФ на глюкозу через пируваткиназу, но этого явно недостаточно для роста.Инкубация формы кровотока T. brucei в анаэробных условиях приводит к гибели клеток, в то время как попытки нокаутировать альтернативную оксидазу были безуспешными, а 95% истощение альтернативной оксидазы РНКи привело к серьезному дефекту роста.

    Преобразование формы кровотока T. brucei в стадию проциклического насекомого сопровождается резкими изменениями в энергетическом обмене (рис. 1). После трансформации в стадию проциклического насекомого гликосомный метаболизм расширяется, и часть продуцируемого фосфоенолпирувата импортируется из цитозоля и впоследствии превращается в сукцинат через фосфоенолпируваткарбоксикиназу, малатдегидрогеназу, фумаразу и растворимую гликосомную НАДН: фумаратредуктазу.Кроме того, на этой стадии проциклического насекомого конечный продукт гликолиза, пируват, не выводится из организма, а далее метаболизируется внутри митохондрии, где он в основном разлагается до ацетата. Производство ацетата происходит за счет ацетат: сукцинат-КоА-трансферазы и включает цикл сукцинат / сукцинил-КоА, который генерирует дополнительный АТФ. Удивительно, но при всех изученных до сих пор условиях цикл TCA не функционирует как цикл в проциклических T. brucei для полного окисления ацетил-КоА до диоксида углерода.Было показано, что части механизма TCA-цикла используются в других процессах, таких как частичная деградация аминокислот, а также для целей биосинтеза, таких как биосинтез жирных кислот и глюконеогенез (рис. 1). Таким образом, помимо расщепления углеводов, аминокислоты, в основном пролин и треонин, являются важными субстратами для производства АТФ на стадии проциклических насекомых. Т. brucei . Использование аминокислот хорошо коррелирует с изменением окружающей среды трипаносомы.В условиях покоя пролин присутствует в гемолимфе мухи цеце в чрезмерно высоких концентрациях, а средняя кишка мухи бедна углеводами, но богата аминокислотами и пептидами.

    Восстанавливающие эквиваленты (НАДН), образующиеся при окислении субстрата, во всех трипаносоматидах доставляются в дыхательную цепь, которая использует кислород в качестве конечного акцептора электронов, но существуют существенные различия в дыхательных цепях между различными видами и стадиями развития. Стадия длинного тонкого кровотока Т.brucei не имеет цитохромов и классической дыхательной цепи, но вместо этого содержит растительную альтернативную оксидазу. Восстановительные эквиваленты, продуцируемые в гликозомах, переносятся в митохондрии через классический глицерин-3-фосфат / дигидроксиацетонфосфатный челнок типа млекопитающих (рис. 1). Митохондриальная FAD-связанная глицерин-3-фосфатдегидрогеназа отдает электроны пулу убихинон / убихинол, а восстановленный убихинол затем является донором электронов для альтернативной оксидазы.Этот процесс переноса электронов через альтернативную оксидазу не связан с производством АТФ, не включает цитохромы, нечувствителен к цианиду и антиицину А, но чувствителен к ингибированию ароматическими гидроксамовыми кислотами, такими как салицилгидроксамат (SHAM), и противогрибковыми агентами аскофураноном и миконазолом. .

    Проциклические стадии трипаносом насекомых, напротив, обладают не только альтернативной оксидазной системой, но и классической цианид-чувствительной цитохромсодержащей дыхательной цепью, связанной с окислительным фосфорилированием (рис.1). За исключением комплекса I, эта часть дыхательной цепи трипаносоматид сильно напоминает дыхательную цепь млекопитающего, поскольку никаких различий пока не обнаружено. Пока неизвестно, какое физиологическое преимущество множественная оксидазная сборка может предложить трипаносомам. В условиях средней кишки мухи цеце, где концентрация кислорода низка, экспрессия альтернативной оксидазной системы будет подавляться, но цитохром а.о. 3 дыхательная цепь, связанная с , будет индуцирована и станет функционально активной.Поскольку последняя система связана с окислительным фосфорилированием, экономическая эффективность общего энергогенерирующего метаболизма проциклических трипаносомных стадий будет намного выше, чем у форм кровотока. Это хорошо отражало бы экологический переход от крови позвоночных с ее обильным снабжением питательными веществами и кислородом средней кишки насекомых, где ограниченные концентрации субстрата и кислорода могли вынудить паразита разработать более эффективно функционирующую и универсальную систему генерирования энергии.Промежуточные и короткие короткоствольные формы кровотока T. brucei имеют более развитые митохондрии, чем длинные тонкие формы, и не зависят только от гликолиза для выработки энергии. По-видимому, переход в энергетическом метаболизме между зависимой от гликолиза длинной тонкой формой и зависимыми от митохондрий процикликами происходит уже в кровотоке. Таким образом, переходные формы кровотока предварительно адаптированы к функционированию в среде насекомых-переносчиков, если они попадают в организм с кровяной мукой.Доступность субстрата и / или энергетический метаболизм, по-видимому, играют роль в индукции процессов дифференцировки во время жизненного цикла трипаносом, но лежащие в основе механизмы еще полностью не изучены.

    Субстраты и метаболические пути, используемые для выработки энергии другими кинетопластидами, аналогичны тем, которые наблюдаются в проциклических формах культуры Т. brucei . Различия в энергетическом обмене между двумя основными морфологическими формами Leishmania spp.менее выражены, чем у Т. brucei . Гликолитические ферменты присутствуют в гликосомах, а кристатные митохондрии Leishmania обладают ферментами цикла TCA и дыхательной цепью, связанной с цитохромоксидазой, точно так же, как Т. brucei . Однако относительная важность углеводов и аминокислот как источника энергии не совсем ясна и может варьироваться в зависимости от стадии, вида и фазы роста.

    Промастиготы Leishmania обладают энергетическим метаболизмом, при котором небольшая часть углеводов полностью окисляется до диоксида углерода через цикл TCA, но при этом большие количества частично окисленных продуктов, таких как ацетат, пируват и сукцинат, также производятся в виде конечные продукты метаболизма глюкозы.Небольшая часть пирувата превращается в аланин, который затем выводится из организма. В Leishmania промастигот, частично окисленные конечные продукты являются результатом аэробного метаболизма, включающего цепь переноса электронов, с кислородом в качестве конечного акцептора электронов, как в проциклических трипаносомах. Leishmania промастигот, подобных стадии насекомых T. brucei , имеют классическую дыхательную цепь, но не имеют альтернативной оксидазы, которая присутствует у других Trypanosomatidae. Leishmania промастигот сильно зависят от этой классической дыхательной цепи для выработки энергии, что согласуется с наблюдением, что Leishmania промастигот обладают энергетическим метаболизмом, при котором большая часть углеводов расщепляется до частично окисленных конечных продуктов, при этом одновременно образуется НАДН, который повторно окисляется дыхательной цепью.

    Leishmania амастиготы, скорее всего, имеют энергетический метаболизм, очень похожий на метаболизм промастигот, причем обе стадии зависят от активности цикла TCA и дыхательной цепи типа млекопитающих, хотя жирные кислоты, вероятно, являются более важным субстратом на стадии насекомых. , по крайней мере, в Л.mexicana . Это будет коррелировать с условиями питания их внутриклеточной среды обитания, макрофагов, в которых, вероятно, будет доступно достаточное количество липидов.

    Энергетический обмен T. cruzi сильно напоминает таковой из Leishmania , то есть все стадии этого паразита обладают активностью цикла TCA и дыхательной цепью типа млекопитающих, связанной с генерацией АТФ. Однако, как и Leishmania , T. cruzi лишь частично катаболизирует глюкозу до диоксида углерода и, кроме того, производит различные органические соединения в качестве конечных продуктов метаболизма, включая ацетат и сукцинат.

    Энергия клеток, функции клеток | Изучайте науку в Scitable


    Рис. 5. Молекула АТФ

    АТФ состоит из аденозинового основания (синий), рибозного сахара (розовый) и фосфатной цепи. Высокоэнергетическая фосфатная связь в этой фосфатной цепи является ключом к потенциалу хранения энергии АТФ.

    Конкретный энергетический путь, который использует клетка, во многом зависит от того, является ли эта клетка эукариотом или прокариотом.Эукариотические клетки используют три основных процесса для преобразования энергии, содержащейся в химических связях молекул пищи, в более удобные для использования формы — часто богатые энергией молекулы-носители. Аденозин-5′-трифосфат, или АТФ, является самой распространенной молекулой энергоносителя в клетках. Эта молекула состоит из азотистое основание (аденин), сахар рибоза и три фосфатные группы. Слово аденозин относится к аденину и сахару рибоза. Связь между вторым и третий фосфат представляет собой высокоэнергетическую связь (рис. 5).

    Первый процесс в пути эукариотической энергии — это гликолиз , что буквально означает «расщепление сахара». Во время гликолиза отдельные молекулы глюкозы расщепляются и в конечном итоге превращаются в две молекулы вещества, называемого пируватом ; поскольку каждая глюкоза содержит шесть атомов углерода, каждый образующийся пируват содержит всего три атома углерода. Гликолиз на самом деле представляет собой серию из десяти химических реакций, требующих ввода двух молекул АТФ. Этот ввод используется для генерации четырех новых молекул АТФ, что означает, что гликолиз приводит к чистому приросту двух АТФ.Также производятся две молекулы НАДН; эти молекулы служат переносчиками электронов для других биохимических реакций в клетке.

    Гликолиз — это древний основной путь производства АТФ, который встречается почти во всех клетках, как у эукариот, так и у прокариот. Этот процесс, который также известен как ферментация , происходит в цитоплазме и не требует кислорода. Однако судьба пирувата, образующегося во время гликолиза, зависит от присутствия кислорода. В отсутствие кислорода пируват не может быть полностью окислен до диоксида углерода, поэтому возникают различные промежуточные продукты.Например, при низком уровне кислорода клетки скелетных мышц полагаются на гликолиз, чтобы удовлетворить свои интенсивные потребности в энергии. Эта зависимость от гликолиза приводит к накоплению промежуточного продукта, известного как молочная кислота, из-за которого мышцы человека могут чувствовать себя «горящими». Точно так же дрожжи, которые являются одноклеточными эукариотами, производят спирт (вместо углекислого газа) в условиях дефицита кислорода.

    Напротив, когда кислород доступен, пируваты, производимые гликолизом, становятся входом для следующей части пути эукариотической энергии.На этом этапе каждая молекула пирувата в цитоплазме попадает в митохондрию, где она превращается в ацетил-КоА , двухуглеродный носитель энергии, а ее третий углерод соединяется с кислородом и выделяется в виде диоксида углерода. В то же время также генерируется носитель NADH. Затем ацетил-КоА вступает в путь, называемый циклом лимонной кислоты , который является вторым основным энергетическим процессом, используемым клетками. Восьмиступенчатый цикл лимонной кислоты генерирует еще три молекулы НАДН и две другие молекулы-носители: FADH 2 и GTP (рис. 6, в центре).


    Рис. 6. Метаболизм в эукариотической клетке: гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование.

    Гликолиз происходит в цитоплазме. Внутри митохондрии цикл лимонной кислоты происходит в митохондриальном матриксе, а окислительный метаболизм происходит во внутренних складчатых митохондриальных мембранах (кристах).

    Третий важный процесс в пути эукариотической энергии включает цепь переноса электронов , катализируемую несколькими белковыми комплексами, расположенными во внутренней мембране митохондрий.Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием , передает электроны от NADH и FADH 2 через мембранные белковые комплексы и, в конечном итоге, к кислороду, где они объединяются с образованием воды. Когда электроны проходят через белковые комплексы в цепи, через митохондриальную мембрану образуется градиент ионов водорода или протонов. Клетки используют энергию этого протонного градиента для создания трех дополнительных молекул АТФ для каждого электрона, перемещающегося по цепи.В целом, комбинация цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования дает гораздо больше энергии, чем ферментация — в 15 раз больше энергии на молекулу глюкозы! Вместе эти процессы, которые происходят внутри митохондии, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, называются дыханием , , термин, используемый для процессов, которые сочетают поглощение кислорода и производство углекислого газа (рис. 6).

    Цепь переноса электронов в митохондриальной мембране — не единственная цепь, которая генерирует энергию в живых клетках.В растительных и других фотосинтетических клетках хлоропласты также имеют цепь переноса электронов, которая собирает солнечную энергию. Даже при том, что они не содержат миткондрии или хлороплатсс, прокариоты имеют в своих плазматических мембранах другие типы энергодобывающих цепей переноса электронов, которые также генерируют энергию.

    Митохондриальный гомеостаз Mg 2+ определяет энергетический метаболизм клеток и уязвимость к стрессу

    Культура клеток HeLa

    клеток HeLa были засеяны в модифицированной Дульбекко среде Игла (DMEM) с добавлением 10% термоинактивированной фетальной телячьей сыворотки (FBS) и 50 U / мл пенициллина и 50 мг / мл стрептомицина (Life Technologies, Карлсбад, Калифорния, США) и культивировали при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 .Клетки высевали на чашки со стеклянным дном (Иваки, Токио, Япония), чашки для культивирования клеток 100 мм (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США) или 48-луночные чашки (Thermo Fisher Scientific) для флуоресцентной визуализации, метаболомического анализа или МТТ-анализ соответственно. Среду меняли через день.

    Нокдаун

    Mrs2 в клетках HeLa

    Для нокдауна Mrs2 использовали BLOCK-iT TM Pol II miR RNAi Expression Vector Kits (Life technologies).BLOCK-iT RNAi Designer от Life Technologies был использован для создания четырех одноцепочечных олигонуклеотидов ДНК, кодирующих целевую пре-миРНК. Эти векторы специально разработаны для обеспечения экспрессии последовательностей miRNA и содержат специфические фланкирующие последовательности miR, которые обеспечивают надлежащий процессинг miRNA. Последовательности вставки пре-miRNA в векторы miRNA для нокдауна были сконструированы следующим образом:

    5′-GTAGCTACTGATTCCAAGAGTAGTTTTGGCCACTGACTGACTACTCTTTGATCAGTAGCTA-3 ‘( Mrs2 GATTT-1) ( Mrs2 GATTT-1) ( Mrs2 GATTT-1) ( Mrs2 GAATTGAT # 1),

    900CTAGCTGACC3 ),

    5′-GTGAAGAATGCTAGCTACTGATGTTTTGGCCACTGACTGACATCAGTAGAGCATTCTTCA-3 ‘( Mrs2 KD # 3) и

    5′-GTTTGAAGAATGCTAGCTACTAATGTGTC7GCCACTGACTGTGTTTACDGCCACTGTC7

    Для идентификации клеток, трансфицированных вектором экспрессии микроРНК для нокдауна Mrs2 , в векторы включали последовательность, кодирующую EmGFP или tagBFP. Векторы miR RNAi трансфицировали в клетки за 3 дня до экспериментов с использованием липофектамина LTX (Life technologies) в экспериментах, за исключением подготовки к анализу метаболома.

    ОТ-ПЦР в реальном времени

    Для определения уровней мРНК Mrs2 в клетках, трансфицированных miR, общую РНК из клеток HeLa выделяли и очищали с использованием мини-набора RNeasy (QIAGEN, Tokyo, Japan).Полная РНК была подвергнута обратной транскрипции с использованием SuperScript VILO (Life technologies), а полученная кДНК была использована в качестве матрицы для количественной ПЦР-амплификации в реальном времени с SYBR GreenER TM (Life technologies). Уровни мРНК Mrs2 были нормализованы по сигналам GAPDH в качестве внутреннего стандарта. Количественную ПЦР в реальном времени проводили с использованием следующих праймеров: Mrs2 прямой 5′-CAGTTGTCTGGAGAGGGTCAA-3 ‘, Mrs2 обратный 5′-AAGGATCAGTGGCTGCAAAA-3′, GAPDHT прямой 5′-CACCCACTCCTCCACCTT 5′-CACCCACTCCTCCACCTT 5′-CACCCACTCCTCCACCTT 5′-CACCCACTCCTCCACCTT CATGAGGTCCACCACCCTGT-3 ‘.

    Флуоресцентная визуализация цитозольного или митохондриального уровней Mg

    2+

    Для количественной оценки цитозольного уровня Mg 2+ в клетках клетки HeLa загружали Mag-Fura-2-AM (Life technologies). Для нанесения красителя клетки HeLa инкубировали в среде с 1 мкМ и 0,02% F-127 в течение 45 мин при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 . Клетки дважды осторожно промывали 1,0 мл сбалансированного солевого раствора Хенкса (HBSS) с pH 7,4 (доведенным с помощью NaOH), который состоял из (в мМ) 137 NaCl, 5.4 KCl, 1,3 CaCl 2 , 0,5 MgCl 2 , 0,4 MgSO 4 , 0,3 Na 2 HPO 4 , 0,4 KH 2 PO 4 , 4,2 NaHCO 3 , 5,6 D- глюкоза, 5,0 HEPES. Затем проводили дополнительную инкубацию в течение 15 мин, чтобы обеспечить полную деэтерификацию сложных эфиров AM. Для измерения значений испускаемой флуоресценции при возбуждении 340 нм и 380 нм использовали флуоресцентный микроскоп ECLIPSE TE300 (Nikon, Токио, Япония), оборудованный объективом × 20 (S Fluor, Nikon).Хе-лампу (150 Вт) с монохроматором использовали для возбуждения 340 нм и 380 нм, а флуоресценцию измеряли с помощью камеры CCD (HiSCA, Hamamatsu Photonics, Сидзуока, Япония). Отношения флуоресценции при возбуждении при 340 нм к флуоресценции при 380 нм рассчитывали как индикатор цитозольных уровней Mg 2+ . Для обнаружения клеток Mrs2 KD, emGFP освещали с возбуждением на 488 нм. Область интереса (ROI) была расположена в соответствующих областях ячеек.В каждой области интереса вычислялись усредненные по пространству отношения испускаемой флуоресценции при возбуждении на длине волны 340 нм к таковой на длине волны 380 нм в качестве индикатора уровней Mg 2+ .

    Для количественной оценки митохондриального уровня Mg 2+ в клетках с использованием ратиометрического индикатора Mg 2+ Mag-Fura-2, метод клеточной проницаемости с использованием дигитонина был выполнен, как описано ранее 36 . Вкратце, клетки окрашивали Mag-Fura-2, как описано выше. Клетки, нагруженные Mag-Fura-2, были проницаемы с 20 мкг / мл дигитонина во внутриклеточной подобной среде (ICM; 120 мМ KCl, 10 мМ NaCl, 1 мМ KH 2 PO 4 , 20 мМ HEPES-Tris при pH 7). .2 и 2 мМ MgATP) в течение 3 мин с последующей промывкой высвободившегося цитозольного Mag-Fura-2 с помощью ICM. Для подтверждения митохондриальной локализации и утечки из цитозоля Mag-Fura-2 флуоресцентную визуализацию проводили с помощью системы конфокального лазерного сканирующего микроскопа (FluoViewFV1000; Olympus, Токио, Япония), установленной на инвертированном микроскопе (IX81; Olympus), оборудованном × 60 масляный объектив. Для измерений сигналов Mag-Fura-2 клетки освещали с длиной волны возбуждения 405 нм от диодного лазера, а сигналы от Mag-Fura-2 и Mito Fluor Red разделяли с использованием дихроичного зеркала 560 нм.Флуоресцентные изображения были получены путем регистрации сигналов при 500–550 нм для Mag-Fura-2 и при 570–670 нм для Mito Fluor Red, соответственно. Для измерения значений испускаемой флуоресценции при возбуждении 340 нм и 380 нм использовали флуоресцентный микроскоп ECLIPSE TE300, оборудованный объективом × 20 (S Fluor). Процедура обнаружения Mag-Fura-2 была упомянута выше. ROI находится на всей заштрихованной области с высокой интенсивностью в каждой ячейке (рис. 1D).

    Визуализация в реальном времени динамики цитозольного Mg

    2+

    Для визуализации динамики цитозольного Mg 2+ в реальном времени использовался высокоселективный флуоресцентный краситель Mg 2+ 24 .Для загрузки KMG-104 клетки инкубировали с 5 мкМ KMG-104AM и 0,02% F-127 в HBSS с отрегулированным pH в течение 30 мин при 37 ° C. Затем клетки дважды промывали HBSS и инкубировали в HBSS в течение 15 мин при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 , чтобы обеспечить полный гидролиз формы ацетоксиметилового эфира. Флуоресцентную визуализацию проводили с помощью системы конфокального лазерного сканирующего микроскопа FV1000, оснащенной масляным объективом × 40. Для измерения сигналов КМГ-104 клетки, нагруженные КМГ-104, освещались аргоновым (Ar) лазером с длиной волны возбуждения 488 нм.Флуоресценцию получали путем регистрации сигналов в диапазоне 500–600 нм. Для обнаружения меченных tagBFP клеток Mrs2 KD клетки освещали с длиной волны возбуждения 405 нм от диодного лазера, и его флуоресценцию получали путем обнаружения сигналов на длине волны 425–475 нм.

    Визуализация митохондрий Mg

    2+ в реальном времени в динамике

    Для визуализации митохондриальной Mg 2+ в реальном времени клетки HeLa окрашивали 20 мкМ высокоселективным митохондриальным Mg 2+ флуоресцентным красителем KMG-301AM при pH скорректированный HBSS в течение 10 мин на льду, чтобы избежать гидролиза ацетоксиметилового эфира эстеразой, присутствующей в цитозоле 22 .Затем клетки дважды промывали HBSS и инкубировали в HBSS в течение 15 минут при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 , чтобы обеспечить полный гидролиз формы ацетоксиметилового эфира в митохондриях. Подробное описание свойств и использования KMG-301AM было описано в нашем предыдущем отчете 22 . Флуоресцентную визуализацию проводили с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа FV1000, оснащенного масляным объективом × 40. Клетки, нагруженные KMG-301, освещали с длиной волны возбуждения 559 нм от диодного лазера, и его флуоресценцию получали путем регистрации сигналов на 570-670 нм.Для обнаружения меченных tagBFP клеток Mrs2 KD клетки освещали с длиной волны возбуждения 405 нм от диодного лазера, и его флуоресценцию получали путем обнаружения сигналов на длине волны 425–475 нм.

    Флуоресцентная визуализация внутриклеточных уровней АТФ

    Для количественной оценки внутриклеточных уровней АТФ в живых клетках ATeam1.03 39 трансфицировали в клетки HeLa с использованием липофектамина LTX. Трансфекцию проводили за день до наблюдения.Флуоресцентное изображение проводилось с помощью системы конфокального лазерного сканирующего микроскопа, оснащенной воздушным объективом × 20. Для измерения сигналов ATeam клетки освещали с длиной волны возбуждения 440 нм от диодного лазера, а сигналы от mseCFP и cp173-mVenus разделяли с помощью дихроичного зеркала 510 нм и получали при 480–510 нм для mseCFP и при 535 нм. –565 нм для cp173-Venus соответственно. Соотношения сигналов cp173-mVenus и mseCFP рассчитывали как индикатор цитозольных уровней АТФ.

    Флуоресцентная визуализация потенциалов митохондриальной мембраны

    Для количественной оценки потенциала митохондриальной мембраны в живых клетках клетки HeLa были загружены красителем, чувствительным к потенциалу митохондриальной мембраны 5, 5 ‘, 6, 6′-терахлор-1, 1′, 3 , 3’-тетраэтилбензимидазолилкарбоцианина йодид (JC-1; Life Technologies). Для нанесения красителя клетки HeLa инкубировали в HBSS с отрегулированным pH с 10 мкг / мл JC-1 в течение 15 минут при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 .Клетки дважды осторожно промывали 1,0 мл HBSS. Флуоресцентная визуализация проводилась с помощью системы конфокального лазерного сканирующего микроскопа FV1000, оснащенной воздушным объективом × 20. Для измерения сигналов JC-1 клетки освещали с длиной волны возбуждения 488 нм от Ar-лазера, а сигналы от JC-1 разделяли с помощью дихроичного зеркала 560 нм и получали путем регистрации сигналов на 520-560 нм для зеленый канал и 575–620 нм для красного канала соответственно. Отношение сигналов от красных каналов к сигналам от зеленых каналов рассчитывали как индикатор потенциала митохондриальной мембраны.Для обнаружения меченных tagBFP клеток Mrs2 KD клетки освещали с длиной волны возбуждения 405 нм от диодного лазера, и его флуоресцентные изображения получали путем обнаружения сигналов на длине волны 425–475 нм.

    Измерение морфологии митохондрий

    Для оценки морфологии митохондрий в живых клетках митохондрии окрашивали Mito Tracker Green FM и их морфологию количественно определяли с помощью программного обеспечения ручной обработки цифровых изображений с использованием MATLAB (MathWorks, Кембридж, Великобритания).Алгоритм количественной оценки морфологического признака ранее описан 44 . Вкратце, бинарные изображения митохондрий были получены из изображений, окрашенных Mito Tracker Green FM, и соотношение сторон каждой митохондрии было рассчитано как отношение между большой и малой осями эллипса, эквивалентного митохондриальному объекту.

    Измерение жизнеспособности клеток

    Для количественной оценки уязвимости к клеточному стрессу жизнеспособность клеток в условиях индуктора стресса H 2 O 2 — или условий, обработанных TNFα / CHX, измеряли с помощью анализа MTT.Контрольные и Mrs2 клетки KD обрабатывали H 2 O 2 (1 мМ) или TNFα (20 нг / мл) плюс циклогексимид (CHX; 1 мкг / мл) в течение 24 часов. Затем клетки инкубировали в среде, содержащей 0,5 мг / мл МТТ, в течение 2 ч при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 . Затем среду удаляли и в каждую лунку добавляли 100 мкл диметилсульфоксида (DMSO, nacalai tesque, Kyoto, Japan) для растворения осадка. Оптическую плотность при 570 нм в стрессовых условиях (ABS , стресс ) и нормальных условиях (ABS , контроль, ) измеряли с использованием считывающего устройства для микропланшетов (Fluoroskan Ascent FL, Thermo Fisher Scientific).Жизнеспособность клеток определяли как стресс ABS / контроль ABS.

    Анализ изображений и статистика

    Флуоресценция была рассчитана как средняя интенсивность по ROI на теле каждой клетки с использованием программного пакета FluoView (Olympus), Aquacosmos (Hamamatsu Photonics) или программного обеспечения ручной работы от MATLAB.

    Анализ метаболома

    Клетки трансфицировали плазмидой для нокдауна Mrs2 путем электропорации с использованием Neon (Life Technologies).Клетки высевали на чашки диаметром 100 мм и выращивали в течение 3 дней при 37 ° C в увлажненной атмосфере, содержащей 5% CO 2 . Питательную среду меняли каждый день. Процедура подготовки проб для анализа метаболома была описана ранее 37 . Вкратце, после двукратной промывки клеток ледяным 5% маннитом метаболиты экстрагировали 1 мл ледяного метанола, содержащего внутренние стандарты (25 мкМ каждого из метионинсульфона (MetSul; Вако, Осака, Япония), 2- (N-морфолино) ) этансульфоновая кислота (MES; вако), D-камфор-10-сульфоновая кислота (CSA; Wako).400 мкл собранных экстрактов переносили в другую пробирку, смешивали с 400 мкл хлороформа и 200 мкл воды Milli-Q и центрифугировали при 10000 × g в течение 3 минут при 4 ° C. Аликвоту водного слоя объемом 400 мкл центрифугировали через мембрану с отсечкой 5 кДа (UltrafreeMC-PLHCC для анализа метаболома; Human Metabolome Technologies, Ямагата, Япония) для удаления белков из образцов с последующим концентрированием в центрифуге при 42 ° C. Эксперименты CE-MS проводили с использованием системы капиллярного электрофореза Agilent CE.

    Энергетический метаболизм II | Биология

    Открытие АТФ, гликолиза и цикла Кребса в первой половине 20-го века во многом помогло ответить на вопрос о том, как клетка использует энергию молекул пищи, таких как глюкоза. Но оставался огромный вопрос, а именно, как основная часть энергии молекул пищи превращается в АТФ?

    Химическая энергия содержится в электронах. Поскольку электроны могут перемещаться между разными молекулами, эта энергия также может перемещаться.Используя высокоэнергетические электроны от каждой молекулы глюкозы, гликолиз генерирует АТФ из молекулы-предшественника, называемой АДФ (рис. 1). Точно так же цикл Кребса и другие энергетические пути также генерируют АТФ, который служит своего рода энергетической валютой для клетки.

    Рис. 1 : Схема процесса гликолиза, происходящего в цитоплазме клетки. image © RegisFrey

    На выяснение процесса генерации АТФ потребовались десятилетия и участие многих исследователей, но к 1930-м годам это было хорошее начало.В то время сэр Ганс Адольф Кребс начинал свои исследования. Используя новые доступные инструменты, такие как манометр (разработанный наставником Кребса Отто Варбургом, одним из гигантов биохимии той эпохи, см. Рисунок 2), биохимики смогли отточить конкретные количества АТФ, которые производятся в различных биохимические реакции. Они обнаружили, что гликолиз (расщепление молекулы глюкозы на две молекулы пирувата) генерирует две или три молекулы АТФ для каждой потребляемой молекулы глюкозы.Цикл Кребса также генерирует две молекулы АТФ для каждой расщепленной молекулы глюкозы. Кроме того, еще одна реакция — распад пирувата с образованием ацетата, который входит в цикл Кребса — генерирует две молекулы АТФ для каждой потребляемой молекулы глюкозы.

    Рисунок 2 : Доктор Отто Варбург и его манометр. Этот инструмент, созданный на основе устройств, измеряющих растворенные в крови газы, определяет скорость, с которой живые клетки производят кислород.image © History of Medicine (NLM)

    Суммирование молекул АТФ, образующихся для каждой молекулы глюкозы во время гликолиза (2-3 АТФ), цикла Кребса (2 АТФ) и превращения пирувата в ацетат (2 АТФ), дает 6- 7 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Однако, используя манометр Варбурга в немного разных экспериментах (в основном с участием печени и мышечной ткани), Кребс и его коллеги поняли, что на самом деле из каждой молекулы глюкозы генерируется более 6-7 молекул АТФ, то есть намного больше.Их измерения показали, что каждая молекула глюкозы на самом деле генерирует более 30 молекул АТФ при условии, что кислород доступен для клетки.

    Для биохимиков середины 20 века несоответствие между 30 молекулами АТФ, генерируемыми клеткой, и всего лишь 6-7 молекулами АТФ, генерируемыми известными реакциями, могло означать только одно. Ясно, что остаток АТФ должен образовываться косвенно из других химических продуктов, образующихся во время гликолиза, цикла Кребса и превращения пирувата в ацетат.

    Эти «другие химические продукты» представляют собой никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и ФАДН 2 . Для каждой потребленной молекулы глюкозы Кребс выяснил, что его цикл генерирует шесть молекул NADH и две молекулы FADH 2 (рис. 3). Кроме того, было известно, что НАДН также образуется во время гликолиза и во время превращения пирувата в ацетат. Ученые также заметили, что НАДН и ФАДН 2 образуются при расщеплении жиров (процесс, называемый бета-окислением).Так же, как и АТФ, и НАДН, и ФАДН 2 , казалось, были повсюду в клетке и связаны с энергетическими реакциями. Таковы были знания о клеточной энергии в конце 1940-х годов, когда Кребс корректировал детали своего знаменитого цикла.

    Рисунок 3 : Цикл Кребса в митохондриях, показывающий образование молекул НАДН и ФАДН. 2 .image © RegisFrey

    Но что касается конкретной роли NADH и FADH 2 — как клетка может использовать их для получения энергии — это было загадкой. Было ясно, что они несут основную часть энергии, извлеченной из глюкозы, жиров и других видов топлива для организма, но было неясно, как эта энергия использовалась для производства АТФ.

    Контрольная точка понимания

    Каждая молекула глюкозы генерирует ______ молекул АТФ.

    Учет остальной части АТФ

    В середине 20-го века Кребс и другие биохимики знали, что НАДН и ФАДН 2 исчезают после своего образования и превращаются в несколько иные молекулы. Используя очень простые химические методы, они увидели, что и NADH, и FADH 2 подвергаются химическому процессу, называемому окислением. В реакции окисления NADH превращается или окисляется в соединение, называемое NAD +, а FADH 2 превращается (окисляется) в соединение, называемое FADH +.Превратившись в NAD + и FADH +, NADH и FADH 2 каждый отдает один атом водорода и два электрона.

    Таким образом, биохимики начали описывать НАДН и ФАДН 2 как своего рода носители: переносчики электронов. В окисленных формах НАД + и ФАДН + переносчики электронов содержат меньше энергии, чем в так называемых восстановленных формах НАДН и ФАДН 2 . Восстановленные формы молекул более энергичны, чем окисленные формы, потому что электроны физически удерживают энергию.Освободив пару электронов, НАДН и ФАДН 2 возвращаются в свои окисленные формы. Это было ясно Кребсу, но возник вопрос о том, что происходит с электронами. Они не исчезают просто так. Ясно, что их энергия должна использоваться для генерации всего остального АТФ, который не образуется непосредственно во время гликолиза и других реакций.

    Чтобы выяснить, как именно это работает, потребовался новый исследователь, которого звали Питер Митчелл.В 1960-х Митчелл представил идею, которую он назвал «хемиосмосом». Это объясняет, как клетка использует энергию электронов, и это зависит от другого явления, называемого перенос электронов , которое должны были сначала открыть другие исследователи.

    Родившийся в Англии 29 сентября 1920 года, Митчелл проявлял интерес к науке в детстве и поступил в Кембриджский университет в 1939 году в возрасте 19 лет. Там на него особенно повлияли два инструктора: биохимик Эрнест Болдуин и инструктор по нервной физиологии Эдгар Адриан.В детстве и на протяжении большей части своей студенческой карьеры Митчелл часто не успевал сдавать тесты, но он улучшился достаточно, чтобы поступить в аспирантуру, где он изучал биохимию.

    Будучи аспирантом, Митчелл задумал множество новых экспериментов, но часто не мог их завершить. Обычно необходимые лабораторные работы выполняла его помощница Дженнифер Мойл. Вдобавок к этому его первая идея кандидатской диссертации была отклонена, и ему было поручено еще три года изучить пенициллин — тема, которая его не очень волновала.Митчеллу не хватило терпения для мельчайших подробностей, связанных с экспериментальной наукой. Но он провел необходимые лабораторные работы, чтобы получить докторскую степень, а затем показать миру, что его идея хемиосмоса верна.

    Контрольная точка понимания

    Какая форма молекул имеет больше энергии?

    Судьба электронов высоких энергий

    Отслеживание путей NADH и FADH 2 в течение следующих нескольких лет привело к открытию, что эти два соединения на самом деле являются переносчиками электронов.Как и ATP, они были своего рода энергетической валютой, но валюта NADH и FADH 2 менее универсальна по сравнению с валютой ATP. Представьте АТФ как универсальную энергетическую валюту для клетки; его можно использовать по-разному, и, таким образом, каждую молекулу АТФ можно сравнить с долларовой банкнотой. Напротив, NADH и FADH 2 можно сравнить с подарочной картой конкретного магазина. Они несут в себе энергетическую ценность, но эту ценность можно использовать только для специальных целей. Эта цель — генерация АТФ, и способ, которым генерируется АТФ, начинается с высокоэнергетических электронов, которые НАДН и ФАДН 2 приобрели во время гликолиза, цикла Кребса и других путей.

    Как только ученые поняли, что энергия может переноситься через клетку путем передачи электронов между разными молекулами, исследователи начали размышлять, как это могло произойти. Использование энергии высокоэнергетических электронов NADH и FADH 2 происходит в двух взаимосвязанных процессах: перенос электронов и окислительное фосфорилирование.

    В 1930-х годах два советских исследователя, Владимир Александрович Белицер и Елена Цыбакова, идентифицировали движение электронов с помощью ряда специальных ферментов.Этот перенос электронов от одной молекулы фермента к другой был назван «переносом электронов». В 1953 году голландский исследователь Эдвард Чарльз Слейтер идентифицировал различные ферменты цепи и начал исследовать, как они действуют. Ферменты встроены во внутреннюю из двух мембран, которые окружают каждую митохондрию, органеллу эукариотических клеток. Они также находятся в мембранах некоторых микроорганизмов. Внутри мембраны ферменты выстраиваются в линию, образуя цепь, известную как цепь переноса электронов (ETC) (рис. 4).Подобно NADH и FADH 2 , каждый фермент-носитель электронов ETC способен принимать электроны от других молекул, временно удерживать эти электроны, а затем отдавать их другому электронному носителю.

    Достигая мембраны каждой митохондрии, и НАДН, и ФАДН 2 легко выгружают свои высокоэнергетические электроны в ETC. Электронные носители митохондриальной ETC не только выстроены в линию, но и разделены на четыре группы, известные как комплексы.Сегодня мы знаем, что НАДН «сбрасывает» свои электроны в комплексе I, в то время как FADH 2 сбрасывает свои электроны в комплексе II. Это связано с тем, что электроны, отданные NADH, на самом деле имеют больше энергии, чем электроны, подаренные FADH 2 . НАДН подобен высокоэнергетическому пакету; тогда как FADH 2 похож на пакет с более низким энергопотреблением.

    Рис. 4 : На барьере межмембранного пространства митохондрий существует Электронная Транспортная Цепь (ETC), где электроны перемещаются через ряд специальных ферментов.И NADH, и FADH 2 выгружают свои высокоэнергетические электроны в ETC. изображение © RegisFrey

    Контрольная точка понимания

    Электроны могут передаваться от одной молекулы фермента к другой.

    АТФ и кислород

    К середине 20 века биохимики пришли к выводу, что электроны постепенно отдают свою энергию, перемещаясь через внеземные цивилизации.Генерация АТФ из АДФ называется «фосфорилированием», которое относится к присоединению группы атомов, химически известной как фосфатная (PO 4 3- ) группа. Биохимики заметили, что электроны проходят через ETC, когда АДФ фосфорилируется в АТФ. Поскольку это наблюдалось в присутствии кислорода, исследователи начали использовать термин «окислительное фосфорилирование» для описания образования АТФ, связанного с переносом электронов. Это контрастирует с производством АТФ, которое происходит непосредственно в биохимических реакциях, таких как гликолиз и цикл Кребса, что называется «фосфорилированием на уровне субстрата».”

    В некоторых типах клеток человека гликолиз (но не расщепление жиров) может происходить в отсутствие кислорода. Это означает, что фосфорилирование гликолиза на уровне субстрата может происходить в отсутствие кислорода. Это называется анаэробным гликолизом, и когда это происходит, вместе с пируватом вырабатываются небольшие количества АТФ. Это сохраняет клетки живыми и работающими, но есть последствия. Без кислорода, приводящего в действие ETC, чтобы оттянуть высокоэнергетические электроны из NADH, клетке нужен другой способ окисления NADH обратно до NAD +.Это потому, что предложение NAD + ограничено. Если NAD + заканчивается, потому что он весь был преобразован в NADH, гликолиз прекратится.

    Чтобы решить эту проблему, при низком уровне кислорода клетка превращает пируват (образовавшийся в процессе гликолиза) в молочную кислоту. Превратившись в молочную кислоту, пируват получает электроны от НАДН. Таким образом, НАДН окисляется, снова превращается в НАД +, который затем становится доступным для гликолиза. Но это временное решение.Во время анаэробного гликолиза в мышечных клетках накапливается молочная кислота, вызывая боль и судороги. Вот почему вы чувствуете боль, если начинаете тренироваться слишком быстро. Но по мере того, как вы тренируетесь, окислительное фосфорилирование начинает действовать постепенно, так как митохондрии начинают работать тяжелее. НАДН из гликолиза перемещается в митохондрии и доставляет электроны в ETC. Затем образуется большое количество АТФ. Отказываясь от электронов, НАДН превращается обратно в НАД +, который затем становится доступным для гликолиза, поэтому производство молочной кислоты прекращается.

    Рисунок 5 : Во время упражнений мышечные клетки накапливают молочную кислоту во время анаэробного гликолиза, что приводит к боли и судорогам. image © Ян-Отто, iStockPhoto

    Однако в середине 20 века большой вопрос заключался в том, как работает окислительное фосфорилирование? Как энергия электронов, которые доставляются в ETC, используется для производства АТФ? Это вопрос, на который намеревался ответить Питер Митчелл.

    Контрольная точка понимания

    Молочная кислота образуется, когда кислород составляет

    Передача энергии

    К началу 1960-х годов химик Роберт Джозеф Патон Уильямс предложил новую идею: энергия электронов, поступающих в ETC, преобразуется в АТФ с использованием протонов (атомов водорода без электронов) в качестве промежуточных продуктов.Чтобы объяснить, как может работать идея протона, исследуя возможные способы, которыми протоны действуют в качестве промежуточных продуктов для производства АТФ, Уильямс предложил очень сложный химический механизм. В то же время, когда Уильямс развивал эти идеи, Митчелл также независимо предположил, что протоны связывают перенос электронов с образованием АТФ, но через совершенно другой механизм. Митчелл придумал нечто более простое, названное «движущей силой протона».

    Представьте, что надуваете воздушный шар — нагнетание воздуха в воздушный шар накапливает энергию.И, попав в воздушный шар, воздух вытечет через любое отверстие с большой силой. Точно так же Митчелл представил, что энергия накапливается не в воздухе, а в протонах, вытесненных в пространство между двумя мембранами митохондрии, используя энергию, полученную во время переноса электронов. Если в мембране есть отверстие, то протоны вырвутся наружу, как воздух из воздушного шара, с силой. В химии это известно как протонный градиент, но Митчелл использовал термин «протонная движущая сила», потому что он представлял клетки, использующие ее для энергии.

    Митчелл использовал термин «хемиосмос», чтобы описать общий механизм генерации АТФ, который, по его представлениям, имеет место в митохондриях и в микроорганизмах, которые процветают в кислороде. Он предположил, что его протонная движущая сила используется ферментами для преобразования АДФ в АТФ, а также для питания других клеточных процессов. Например, в хлоропластах (органеллах, которые используют солнечный свет для производства пищи в клетках растений и некоторых других эукариот) и фотосинтезирующих бактериях, он представил протонный градиент, передающий энергию солнечного света для подпитки различных молекул.Он также предположил, что протонные градиенты используются для преобразования химической энергии в механическую. Многие бактерии и другие микроорганизмы перемещаются с помощью хвостовидной структуры, называемой жгутиком, и Митчелл представил крошечные протоны, вызывающие движение жгутика.

    Митчелл: нестандартный мыслитель

    Когда Митчелл в 1961 году предложил хемиосмос, его коллеги сочли эту идею безумной.Насмехаясь над идеей движущей силы протона, которую Митчелл сократил PMF, его коллеги пошутили, что PMF обозначает «Силу Питера Митчелла». Это произошло главным образом потому, что у Митчелла в то время не было доказательств, подтверждающих эту идею, а также потому, что он выглядел и действовал довольно неортодоксально.

    Придерживаясь хемиосмоса и игнорируя тех, кто насмехался над ним, Митчелл проделал необходимую лабораторную работу, а также внимательно следил за открытиями других, которые могли иметь отношение к его идее.В 1960-х и 1970-х годах такие важные открытия были связаны с тем, как ETC может передавать энергию электронов в градиент протонов. Хотя физика выходит за рамки этого модуля, основная идея заключается в следующем: поскольку электроны движутся по цепочке, постепенно отдавая свою энергию, специальные ферменты забирают эту энергию и буквально перекачивают протоны в межмембранное пространство (см. Рисунок 4). . Напомним, что ферменты ETC выстроены в линию, встроены в мембрану. Поскольку электроны движутся по ETC в виде конвейерной ленты, протоны накачиваются в направлении, перпендикулярном движению электронов.

    Другое исследование, имеющее отношение к Митчеллу, вращалось вокруг фермента под названием АТФ-синтаза. Расположенный во внутренней митохондриальной мембране, этот фермент оказался ключевым компонентом, поскольку он действует как дверной проем для протонов, которые хотят выйти между двумя мембранами (рис. 6).

    Рис. 6 : Самый маленький двигатель в мире, фермент АТФ-синтаза, генерирует энергию для клетки.image © Национальный институт общих медицинских наук

    Думая об аналогии с воздушным шаром, представленной ранее, представьте, что существует ветряная турбина, улавливающая механическую энергию воздуха, выходящего из воздушного шара. Подобно мини-турбине, фермент АТФ-синтаза использует силу протонов, протекающих между мембранами, и использует энергию для выработки АТФ. Подтвержденный благодаря растущему пониманию АТФ-синтазы и других открытий, связанных с мембранами, Митчелл был удостоен Нобелевской премии по химии в 1978 году.

    Сводка

    АТФ — основная энергетическая валюта живых клеток. Этот модуль отвечает на вопрос о том, как образуется большая часть АТФ. Взгляд на два важных соединения, НАДН и ФАДН 2 , показывает их важную роль в производстве АТФ. Модуль объясняет работу цепи переноса электронов, которая обеспечивает электроны высокой энергии для подпитки процесса производства АТФ, называемого окислительным фосфорилированием.

    Ключевые концепции

    • Аденозинтрифосфат (АТФ) является основной энергетической валютой клетки.Он вырабатывается из аналогичного соединения, АДФ, с использованием энергии, получаемой из клеточного топлива, такого как сахар, жиры и белки.
    • Количество АТФ, образующегося непосредственно во время гликолиза (расщепления сахарной глюкозы), мало по сравнению с количеством энергии, содержащейся в глюкозе.
    • Энергия, удерживаемая АТФ и другими энергосберегающими химическими соединениями, содержится в электронах. Перемещая электроны, различные молекулы перемещают энергию по клетке.
    • Два специализированных энергетических соединения, NADH и FADH 2 , жизненно важны для перемещения высокоэнергетических электронов от клеточного топлива, такого как глюкоза, к конвейерной системе ферментов, называемой цепью переноса электронов.
    • Расположенная внутри митохондрий, цепь переноса электронов использует энергию НАДН и ФАДН 2 для обеспечения процесса, называемого окислительным фосфорилированием, который генерирует большое количество АТФ. Для окислительного фосфорилирования требуется кислород.

    Дэвид Вармфлэш, доктор медицины, Натан Х. Ленц, доктор философии «Энергетический метаболизм II» Visionlearning Vol. БИО-4 (5), 2016.

    Метаболизм | Очерки биохимии

    Фенилкетонурия (PKU) и дефицит ацил-CoA-дегидрогеназы со средней длиной цепи (MCADD) — два наиболее часто наследуемых метаболических нарушения, которым страдает примерно 1 из 10000 новорожденных в США.К.

    PKU — это аминокислотное заболевание, вызванное дефицитом фермента фенилаланингидроксилазы, вызывающим ферментативный блок. Это приводит к снижению метаболизма аминокислоты фенилаланина, вызывая повышенное накопление в крови и головном мозге. Если не лечить новорожденных, это может вызвать задержку развития или повреждение головного мозга. Лечение начинается рано с диеты с низким содержанием белка, дополненной смесью аминокислот с удаленным фенилаланином.Однако небольшая часть людей с диагнозом ФКУ не отвечает на этот предложенный вид лечения. Эти люди обычно имеют дефекты синтеза дигидроптеридинредуктазы или биоптерина, вызывающие нарушение функции фенилаланингидроксилазы. Эти люди также обычно имеют дефекты тирозингидроксилазы, что может привести к дефициту нейротрансмиттеров. Затем этим пациентам требуются дополнительные добавки с нейротрансмиттерами, а также диета с низким содержанием фенилаланина.

    MCADD — это пожизненное состояние, которое возникает из-за мутации в ацил-CoA дегидрогеназе со средней длиной цепи (MCAD) β-окисления жирных кислот. Эта мутация нарушает расщепление жирных кислот со средней длиной цепи в ацетил-КоА. Потеря или недостаточность MCAD снижает окисление жирных ацил-CoA, которые содержат более шести атомов углерода, поскольку первая стадия дегидрирования β-окисления не может происходить. Используя тандемную масс-спектрометрию, можно увидеть, что профиль жирных кислот крови в MCADD показывает накопление C6, C8 и C10: 1.MCADD является основной причиной гипокетотической гипогликемии и может вызывать нарушение функции печени с метаболическим ацидозом, гипераммониемией и внезапной смертью. MCADD особенно опасен во время голодания, когда организм использует запасы гликогена, а свободные жирные кислоты высвобождаются из жировой ткани для получения энергии. Сниженная способность метаболизировать средние жирные кислоты значительно снижает доступность субстратов для кетогенеза, синтеза АТФ и цикла TCA при низкой энергии. Накопление промежуточных продуктов жирных кислот подавляет глюконеогенез, усугубляя гипогликемию.Это накопление может также способствовать сердечно-сосудистым и неврологическим осложнениям, обнаруживаемым в этих условиях. Лечение пациентов с MCADD включает потребление напитков с высоким содержанием сахара и избегание длительных периодов голодания.

    Последнее наследственное нарушение обмена веществ, которое мы обсуждаем, встречается гораздо реже и встречается у 1 из 100 000 или 1 50000 новорожденных. Болезнь мочи кленового сиропа (MSUD) возникает из-за дефицита или снижения функции комплекса дегидрогеназы α-кетокислоты с разветвленной цепью (BCKAD).Это приводит к накоплению аминокислот с разветвленной цепью (BCAA), таких как лейцин, изолейцин и валин, в крови и моче. Название болезни происходит от запаха мочи кленового сиропа из-за избытка BCAA. BCAA потребляются в рационе, богатом белком, в таких продуктах, как мясо, рыба, яйца и молоко. Обычно избыточные аминокислоты расщепляются через аминотрансферазы с разветвленной цепью (BCAT) на α-кетокислоты в митохондриях. На второй стадии катаболизма комплекс BCKAD инициирует окислительное декарбоксилирование α-кетокислот, что приводит к образованию ацетоацетата, ацетил-КоА и сукцинил-КоА.Нормальное функционирование катаболизма аминокислот необходимо для синтеза белка, передачи клеточных сигналов и метаболизма глюкозы. BCKAD состоит из четырех субъединиц. Мутации в каталитических компонентах BCKAD снижают его активность и, следовательно, увеличивают уровни BCAA, проявляясь как MSUD и вызывая дисфункцию иммунной системы, скелетных мышц и центральной нервной системы. По мере накопления токсичных метаболитов, таких как молочная кислота и аммиак, функция иммунных клеток подавляется, вызывая нарушение их регуляции.Скелетные мышцы повреждены, как показали исследования, которые обнаружили уменьшение диаметра мышечных волокон и поражения миофибрилл у крыс MSUD, однако его механизм полностью не изучен. Нарушение регуляции нервной системы, в частности, поражение головного мозга, было связано с накоплением токсичных метаболитов.