Презентация Метаболизм. Взаимосвязь различных путей обмена веществ. онлайн

Содержание слайда: Метаболизм. Взаимосвязь различных путей обмена веществ. Метаболизм – совокупность химических превращений, катализируемых ферментами. Реакции внешнего обмена (внеклеточный компартмент). Реакции промежуточного обмена (внутриклеточный компартмент). Две стороны обмена: Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен); Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен). Взаимосвязаны анаплеротическими (пополняющими) реакциями, когда метаболиты одного пути служат субстратами для другого: глю  ПВК + СО2  ОА ЦТК и амфиболическими, объединяющими пути синтеза и распада (ПФП, ЦТК).

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Основные характеристики метаболизма клеток млекопитающих Гетеротрофы Аэробы (факультативные или облигатные). Акцептором электронов являются органические вещества и (или) в конечном итоге – О2. Источник углерода – глюкоза, источник азота – аминокислоты.

Содержание слайда: Функции метаболизма Аккумулирование энергии в макроэргических связях АТФ. Использование энергии АТФ для биосинтеза de novo молекул (химическая работа), а также осмотической, электрической, механической работы. Распад и синтез обновляемых структурных компонентов клеток. Синтез и распад молекул «специального» назначения (гормонов, медиаторов, кофакторов).

Содержание слайда: Все механизмы регуляции направлены на поддержание гомеостаза и адаптацию к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды Способы регуляции скорости ферментативных реакций: Изменение каталитической активности ферментов (аллостерическая или ковалентная модификация ключевых ферментов метаболизма) Изменение количества ферментных молекул (конститутивные и адаптивные ферменты) Компартментализация метаболических процессов.

Содержание слайда: Взаимосвязь обменов: Углеводы – липиды: «Лишние» углеводы обеспечивают синтез липидов (образование глицерол-3- фосфата, ацетил-КоА, НАДФН) глицерин – субстрат для глюконеогенеза. «жиры сгорают в пламени углеводов»: основным источником оксалоацетата является пируват.

Содержание слайда: Взаимосвязь обменов: Белки – липиды: Запас нейтральных липидов предотвращает использование белков на энергетические нужды. Аминокислоты  ацетил-КоА биосинтез жирных кислот Глицерин  ГАФ  ПВК  Аминокислоты Серин, метионин - участвуют в биосинтезе фосфолипидов Глицин. таурин – участвуют в синтезе желчных кислот (переваривание липидов).

Содержание слайда: Взаимосвязь обменов Белки – углеводы: Гликогенные аминокислоты (кроме лиз и лей) Основной путь синтеза заменимых аминокислот – реакции переаминирования или восстановительного аминирования кетокислот (т.е. источник углерода для биосинтеза – глюкоза!) ПФП превращения глюкозы – источник рибозы и НАДФН для биосинтеза нуклеотидов, а значит нуклеиновых кислот и белков. ЦТК  сукцинил-КоА  биосинтез порфиринов для гемо- миоглобина, цитохромов, каталазы) .

Содержание слайда: Роль нуклеотидов в обмене веществ Адениловые нуклеотиды обеспечивают энергетический потенциал клеток УТФ участвует в обмене углеводов ЦТФ участвует в биосинтезе фосфолипидов ГТФ участвует в трансляции АМФ является структурным компонентом НАД, ФАД, Ко-А Циклические нуклеотиды – вторичные мессенджеры гормонов ФАФS и УДФ-глюкуронат образуют парные соединения , обезвреживая токсины

Содержание слайда: Этапы энергетического обмена 1. Крупные «пищевые» молекулы гидролизуются до мономеров: аминокислот, жирных кислот, моносахаров. 2. Специфические дегидрогеназы окисляют эти вещества до пирувата, ацетил-КоА, кетоглутарата, сукцината, оксалоацетата. 3. Эти универсальные «субстраты дыхания» окисляются до СО2 в ЦТК. 4. НАДН и ФАДН2 поставляют протоны и электроны во внутреннюю мембрану МХ, восстанавливают кислород до Н2О и создают условия для фосфорилирования АДФ до АТФ.

Содержание слайда: Унификация клеточного «топлива» В процессе основных путей катаболизма - гликолиза, окислительного дезаминирования,  – окисления, ЦТК образуется ограниченное количество универсальных «топливных» молекул: ацетил-КоА, метаболитов ЦТК.

Содержание слайда: Основные этапы адаптации организма к голоданию Суточная потребность в энергетических ресурсах в зависимости от физической нагрузки составляет 1600 – 6000 ккал. Метаболические запасы составляют: 40 ккал – глюкоза; 1600 ккал – гликоген; 135 000 ккал – нейтральный жир; 24 000 ккал – белок.

Содержание слайда: Адаптация к голоданию Голодание (равно как любой стресс или диабет) приводит к повышению уровня катехоламинов, глюкагона, глюкокортикоидов, тиреоидов при одновременном снижении инсулина. Этот гормональный статус обеспечивает поддержание концентрации глюкозы в крови не < 2 -2,5 ммоль/л и сохранение азотистого баланса. Метаболическая ситуация при этом характеризуется усилением глюконеогенеза в печени, липолиза в адипоцитах, протеолиза в мышцах.

Содержание слайда: 1- ая фаза голодания (1сутки) На начальном этапе уровень глюкозы крови (особенно важный для нейронов и эритроцитов) поддерживается запасами гликогена печени. Далее предшественниками для глюконеогенеза становятся глицерин (продукт липолиза) и аминокислоты, как продукт протеолиза мышечных белков (глюкозо-аланиновый цикл). Проблема сохранения мышечной массы и азотистого баланса!!!

Содержание слайда: 2- ая фаза голодания (1 –ая неделя) Гормональная ситуация приводит к адаптивному переключению энергетического обмена с преимущественно углеводного типа на липидный. Основными источниками энергии становятся жирные кислоты. Концентрация СЖК в крови увеличивается в 3 -4 раза, кетоновых тел – в 10 – 15 раз. Низкое содержание глюкозы (ПВК и ОА) приводит к накоплению ацетил-КоА и цитрата, торможению гликолиза (сохранение глюкозы!) и усилению кетогенеза!!!. Мозг и сердце на 1/3 удовлетворяют свои потребности в энергии за счет кетоновых тел.

Содержание слайда: 3 – я фаза голодания (1 – 3 месяца) Усиление кетогенеза предотвращает использование аминокислот (Но! метаболический ацидоз!). Продолжительность голодания определяется запасом ТАГ. Затем следует утилизация аминокислот для глюконеогенеза. Терминальная стадия голодания характеризуется отрицательным азотистым балансом (распадается > 20 г белка и выделяется 3 г мочевины в сутки). Атрофия тканей.

Содержание слайда: Биоэнергетика изучает процессы превращения энергии в живом организме. Биологическое окисление (тканевое дыхание) – процессы, протекающие с участием кислорода ??? Главный вопрос биоэнергетики: как энергия окисления органических веществ трансформируется в энергию связей АТФ?

Содержание слайда: История учения о биоокислении 18 век, А.Лавуазье: « Дыхание – медленное горение» 1920 - е г., А.Н.Бах. Перекисная теория активации кислорода. Открытие оксигеназ и пероксидаз. 1930 - е г., О.Варбург, Д.Кейлин. Открытие цитохромов (гемсодержащих ферментов), взаимодействующих с кислородом. В.И.Палладин : «окисление – м.б. отнятие водорода!» Открытие флавинсодержащих ферментов. Г.Вилланд, О.Варбург. В. Христиан. Открытие никотинсодержащих дегидрогеназ.

Содержание слайда: История учения о биоокислении Биологическое окисление – отнятие водорода от субстратов и передача его через серию посредников на кислород с образованием воды. 90% О2 утилизируется МХ цепью ферментов (фосфорилирующее окисление) 10% О2 – микросомальное окисление (нефосфорилирующее), О2 внедряется в окисляемую молекулу.

Содержание слайда: Аккумулирование энергии в клетке: НАДН, ФАДН2, НАДФН АТФ (реже другие нуклеозидтрифосфаты) Внутренняя мембрана митохондрий, функционирующая как конденсатор, где разделяются заряженные атомы и молекулы.

Содержание слайда: НАДН, НАДФН, ФАДН2 Восстановленные эквиваленты образуются при окислении органических субстратов; НАДН и ФАДН2 реокисляются в дыхательной цепи МХ, НАДФН использует восстановительный потенциал в реакциях биосинтеза, обезвреживания, антиперекисной защиты. Подавляющее большинство восстановленных эквивалентов образуется в матриксе МХ (окисление ПВК, аминокислот, жирных кислот, ЦТК). Доставка цитоплазматических восстановленных эквивалентов требует специального транспорта (челночные механизмы), т.к. пулы цитоплазматические и митохондриальные разделены!

Содержание слайда: Роль НАДФН в метаболизме 1. Восстановительные синтезы аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, холестерола, стероидов, желчных кислот. 2. Десатурация жирных кислот 3.Кофактор Met – Hb редуктазы 4. Кофактор глутатион-редуктазы 5. Участие в микросомальном окислении

Содержание слайда: Челночные механизмы транспорта Восстановленные эквиваленты, образующиеся в цитозоле, например при окислении глицеральдегид- 3 фосфата попадают в МХ компартмент непрямым путем: с помощью НАДН в цитозоле образуются вещества проникающие в МХ. Наиболее активна малат-аспартатная челночная система (печень, почки, миокард). В скелетных мышцах и мозге – глицерофосфатный челнок. При этом глицерофосфат окисляется в МХ с помощью ФАД.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Почему именно адениловые нуклеотиды составляют энергетический потенциал клеток? Адениловые нуклеотиды более устойчивы к химическим и физическим факторам среды (УФ), обладают наибольшей скоростью обмена концевых остатков фосфорной кислоты. При калорийности суточного рациона 2- 3 тыс. ккал и 50% КПД, этой энергии достаточно для образования 120 молей АТФ (М.м. 540 г).; таким образом ежесуточно в организме синтезируется и распадается около 50 -60 кг АТФ. Содержание свободных адениловых нуклеотидов в организме не более 3 - 4 г, т.е. происходит постоянное фосфорилирование и гидролиз. Запаса АТФ практически нет, его хватает на секунды активной мышечной работы. Интенсивность распада АТФ стимулирует скорость его синтеза. АТФ – не форма депонирования химической энергии, только временное ее аккумулирование.

Содержание слайда: Содержание адениловых нуклеотидов к клетке АДФ + Ф [АТФ]АДФ + Фн (АМФ +ФФ) Синтез АТФ: субстратное или окислительное фосфорилирование. Оба механизма – по сути окислительные. Субстратное сопряжено с реакциями гликолиза или ЦТК и образованием промежуточных макроэргов: дифосфоглицерата, фосфоэнолпирувата, сукцинил-КоА. Окислительное сопряжено с дыханием и работой внутренней мембраны МХ, промежуточных посредников нет.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Гипотезы сопряжения окисления и фосфорилирования Липман, 1946г., Слэйтер, 1953г. Гипотеза химического сопряжения Перенос ē сопряжен с адениловой системой через образование промежуточных макроэргических соединений (подобно субстратному фосфорилированию)

Содержание слайда: Гипотеза химического сопряжения АН2 + В + Х  А + ВН2 ∞Х ВН2 ∞ Х + V  ВН2 + Х∞ V Х ∞ V + Рн  Х + V∞ РH V ∞ Рн + АДФ  АТФ + V Х м.б. О2, Na, Ca; V м.б. P,C Однако, в МХ не обнаружено никаких макроэргов кроме адениловых нуклеотидов.

Содержание слайда: Гипотеза конформационного сопряжения Бойер, 1964: Ленинджер, 1966; Грин, 1970г. Транспорт ē по внутренней мембране МХ вызывает ее конформационные изменения, она приобретает «напряженную» структуру (энергизованная мембрана). «Релаксация» мембраны передает энергию конформационного напряжения АТФ-синтетазе, встроенной в эту мембрану. Электронно-микроскопические исследования подтверждают «уплотнения» крист МХ при добавлении субстратов дыхания, АДФ и Рн . Старение МХ, действие детергентов, снижение скорости дыхания вызывает «набухание» МХ.

Содержание слайда: Хемиоосмотическая гипотеза Митчелл,1961 Перенос ē вдоль внутренней мембраны сопровождается выкачиванием Н+ из матрикса МХ в наружную среду. Энергия этого трансмембранного протонного градиента используется на синтез АТФ.

Содержание слайда: Доказательства хемиоосмотической гипотезы 1. В МХ нет высокоэнергетических посредников. связывающих перенос ē с биосинтезом АТФ. 2. Для окислительного фосфорилирования необходима пространственная замкнутость внутренней мембраны МХ. 3.Большое значение имеет разница в ионной силе и концентрации ионов с наружной и внутренней стороны мембраны. 4.Заряд внутренней мембраны имеет электрохимическую и концентрационную (осмотическую) составляющую. 5. Окислительное фосфорилирование предотвращается «разобщителями»

Содержание слайда:

Содержание слайда: Дыхательная цепь ферментов осуществляет окислительно- восстановительные реакции, перенося ē от одной молекулы к другой и в конечном итоге – на О2восстанавливая его до Н2О. НАДН – поставляет ē в виде гидрид –иона (:Н-); ФАДН2 и КоQ - 2ē и 2 Н+ (2 атома водорода); цитохромы и Fe – S центры – только ē.

Содержание слайда: Структура дыхательной цепи МХ I комплекс: НАДН –КоQ дегидрогеназа: кофакторы FMN и Fe-S белки II комплекс: FADH2 – КоQ дегидрогеназа: III комплекс: КоQ – цитохром С дегидрогеназа: (через цитохромы в и с1.и Fe – S) IV - комплекс: цитохром аа3 – оксидаза (через Cu2+ )

Содержание слайда: Никотинамидные дегидрогеназы Более сотни субстратов окисляются через НАД. Основное количество НАДН образуется при окислении изоцитрата, малата, гидроксиацил-КоА, гидроксибутирата, глутамата. НАД-ДГ слабо связаны с апоферментом SН2 + НАД+  S + НАДН + Н+ Фиксирует в никотинамиде гидрид-ион НАДФН поставляет протоны и ē в дыхательную цепь также через НАДН: НАДФН + НАД+  НАДФ+ + НАДН

Содержание слайда: Флавинзависимые дегидрогеназы Коферментную функцию выполняют ФМН или ФАД (производные рибофлавина) Прочно связаны с белковой частью ферментов. SH2 + FAD+  S + FADH2 Фиксируют в изоаллоксазиновом центре 2 Н+ и 2 ē. ФАДН2 образуется при окислении глицеролфосфата, сукцината, жирных кислот.

Содержание слайда: Убихинон (КоQ) Повсеместно распространенное производное бензохинона. Гидрофобное, низкомолекулярное вещество, не связанное с белком (кофермент), способное мигрировать в пределах мембраны. Принимает восстановленные эквиваленты от флавопротеинов I и II комплексов и передает на цитохромы в дыхательной цепи, превращаясь в гидрохинон.

Содержание слайда: Цитохромы Гемсодержащие белки (15-45 кДа), простетические группы - гем b или a, отличающиеся строением боковых радикалов порфириновой группировки. Цитохромы аa3 содержат еще атомы Cu+(2+) . Функциональноактивный центр цитохромов железо гема с переменной валентностью ( в отличие от железа Hb). Функция цитохромов в дыхательной цепи -перенос ē (КоQH2  цит.b  цит.с1  цит. c  цит. aa3  O2.).

Содержание слайда: Железосерные белки Низкомолекулярные белки, содержащие негемовое железо и неорганическую серу (2Fe -2S; 4Fe- 4S). Атом железа связан с атомом серы и группами белковой части. Как и цитохромы осуществляют одноэлектронный транспорт. Входят в состав разных комплексов вместе с флавопротеинами и цитохромами.

Содержание слайда: Создание градиента ионов на внутренней мембране МХ Перенос ē по дыхательной цепи сопровождается закислением наружной среды (рН=7) и защелачиванием матрикса (рН=8). т.е. ē – движущая сила выкачивает протоны в межмембранное пространство. Прохождение пары ē на уровне I комплекса в матрикс попадает 2 пары Н+, III комплекса – 1 пара и IV – 2 пары. Таким образом создается электрохимический Н+ градиент, имеющий электрический и осмотический компонент. ΔµH = Δψ + ΔpH

Содержание слайда: Дыхательная цепь ферментов Полная цепь системы МХ окисления: SH2 (изоцитрат, малат, гидроксиацилКоА, гидроксибутират, глутамат)  никотинамидные ДГ комплексI,III, IV  O2 . Укороченная цепь: (без комплекса I) SH2(сукцинат, ацилКоА, глицеролфосфат)  КоQ комплекс III, IV  O2 Удлиненная цепь окисления: SH2 (пируват, кетоглутарат)  комплексы I,III,IV  O2. (окислительно-декарбоксилирующие комплексы кетокислот примыкают к внутренней мембране МХ).

Содержание слайда: Транслоказы Кроме оксидоредуктаз дыхательной цепи во внутреннюю мембрану МХ встроена система переноса «клеточного топлива»: кетокислот, аминокислот. дикарбоновых кислот, жирных кислот (транслоказы). Адениннуклеотидтранслоказа, фосфаттранслоказа. АТФ – синтаза.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Строение АТФ – синтазы Н+ - АТФ –синтаза (АТФ-АЗА) V – комплекс дыхательной цепи Сложный белковый комплекс (500 кДа) из Fo и F1 субъединиц. Фактор сопряжения дыхания (протонного градиента) и фосфорилирования. Fo – трансмембранный канал для протонов во внутренней мембране МХ. F1 - каталитическая субъединица, состоящая из трех гетеродимеров (исвязывающие АДФ и Фн, образование АТФ с выделением Н2О и освобождением АТФ. Активация АТФ-азы происходит за счет ротации комплекса вызванного потоком протонов из внешней среды в матрикс. При накоплении АТФ в матриксе АТФ – аза начинает гидролизовать АТФ и работать как протонная помпа, градиент протонов не уменьшается, а нарастает.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Протонный градиент и пункты фосфорилирования Атомы водорода от окисляемых субстратов отдают ē в дыхательную цепь и превращаются в Н+ ,которые поступают в межмембранное пространство. ē передаются по дыхательной цепи и оказываются на все более низких энергетических уровнях, пока не достигнут О2 В дыхательной цепи трижды происходит значительное снижение стандартной свободной энергии, достаточное для обеспечения синтеза АТФ. (три пункта фосфорилирования: на уровне I, III и IV комплексов).

Содержание слайда:

Содержание слайда: Соотношение дыхания и фосфорилирования 4ē + 4Н+ + О2  2Н2О АДФ +Фн  АТФ Эффективность фосфорилирования Р/О (количество Фн включенного в состав АТФ на каждый атом О). Теоретически для НАДН – коэффициент =3; для ФАДН2 = 2; для aa3 = 1. Практически, этот коэффициент ниже, не все протоны проходят через протонные каналы АТФ-синтетазы, энергия Δ µН+ частично используется на другие нужды и Р/О = 2,5; 1,5 для I и II комплексов. соответственно. Каковы взаимоотношения дыхания и фосфорилирования?

Содержание слайда: Дыхательный контроль ДК (дыхательный контроль) отражает зависимость интенсивности дыхания от концентрации АДФ. Измеряется полярографически по поглощению О2 и отношению фосфорилирующего дыхания к нефосфорилирующему (т.е. в присутствии или отсутствии АДФ). Дыхательный контроль ведет к соответствию скорости синтеза АТФ потребностям клетки в данный момент: чем больше расход АТФ, тем быстрее поток ē к О2 (дыхание!) и интенсивнее окисление субстратов и поглощение О2.

Содержание слайда: Энергетический заряд клеток АТФ: АДФ:АМФ Энергетический заряд изменяется от 1 (если все адениловые нуклеотиды максимально фосфорилированы и находятся в виде АТФ) ; до 0 (если все нуклеотиды находятся в виде АМФ.

Содержание слайда: Ингибиторы дыхания На различных участках цепи передача ē блокируется специфическими веществами: барбитуратами, некоторыми гликозидами, антибиотиками, цианидами. На 90% дыхание подавляется ингибиторами передачи ē на уровне цитохромоксидазы дыхательными ядами: цианидами, СО,H2S, NH3.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Ингибирование фосфорилирования Олигомицин блокирует Fo – субъединицу АТФ – синтетазы. Электрохимический градиент при этом не снижается, но потока протонов в матрикс через протонный канал не происходит и АТФ –синтетаза не активна.

Содержание слайда: Разобщители дыхания и фосфорилирования Липофильные вещества, способные переносить протоны (протонофоры) и катионы (ионофоры) через внутреннюю мембрану, минуя канал Fo: градиент Н+ снижается; содержание АДФ увеличивается, скорость окисления растет, поглощение О2 (дыхание) растет, но энергия рассеивается в виде тепла, коэффициент Р/О снижается. 2,4 – динитрофенол, валиномицин, грамицидин, дикумарол, билирубин, мочевая кислота, тироксин, длинноцепочечные жирные кислоты. Разобщение окисления и фосфорилирования увеличивает теплопродукцию (специализированная ткань – бурый жир, где в МХ много белка термогенина, переносящего жирные кислоты в матрикс).

Содержание слайда:

Содержание слайда: Митохондриальная цепь окисления – источник активных форм кислорода 4Н+ + 4ē + О2  2 Н2О Неполное восстановление кислорода ведет к образованию АФК: 4Н+ + 3ē + О2  НО* 4Н+ + 2ē + О2  2 Н2О2 4Н+ +ē + О2  :О2-

Содержание слайда: Антиперекисная защита Ферментативные механизмы: 2О2* + 2Н+  Н2О + О2 (СОД) 2Н2О2  2 Н2О + О2 (каталаза) Н2О2 + 2 глутатион- SH  2Н2О + глу-S-S –глу (глутатионпероксидаза) глу-S-S-глу + НАДФН  2 глу-SH + НАДФ+ (глутатиоредуктаза) Антиоксиданты неферментативной природы: витамины Е, С, каротин, глутатион, мочевая кислота, билирубин.