Обмен веществ, основные этапы унификации энергетического материала.

Обмен веществ (метаболизм) - высоко координированная и целенаправленная клеточная активность, обеспеченная участием многих взаимосвязанных ферментативных систем.

Включает два процесса: анаболизм и катаболизм.

Он выполняет 3 функции:

1. Энергетическая – снабжение клетки химической энергией,

2. Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков,

3. Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул-предшественников. Поскольку он сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Также для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6-фосфата в пентозосфатном путиили декарбоксилирования яблочной кислоты малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ-НАДФН-цикл.

Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии. Большая часть энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, в основном используются клетко:

• на анаболические реакции в составе НАДФН (например, синтез жирных кислот и холестерина),

• на образование АТФ в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН2.

Но молекулы НАДФН могут идти не только на реакции анаболизма. Они активно привлекаются к реакциям антиоксидантной защиты для нейтрализации свободных радикалов, а в фагоцитирующих клетках, наоборот, требуются для синтеза супероксид анион-радикала, используются для нейтрализации аммиака в реакции синтеза глутамата в реакции восстановительного аминирования и в ряде других процессов.

Этапы катаболизма:

1.Первый этап- Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах (самообновление клеток) при расщеплении уже ненужных или лишних молекул. При этом освобождается около 1% энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

2. Второй этап- в цитозоле и митохондрия. Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови,превращаются:

• в пировиноградную кислоту (моносахариды в гликолизе),

• в ацетил-SKoA, в пируват и другие кетокислоты (в катаболизме аминокислот),

• в ацетил-SКоА (при β-окислении жирных кислот).

На этом этапе выделяется около 30% энергии, заключенной в молекуле, и при этом запасается около 13% от всей энергии вещества.

Специфичные пути катаболизма - реакции, осуществляемые специфичными ферментами в специфичных, для разных классов веществ, реакциях 1 и 2 этапов. После того, как эти процессы закончатся, образуются пируват и ацетил-SКоА (в основном) и начинаются общие пути превращений. Подразумевается, что независимо от источника происхождения пирувата и ацетил-SKoA (из аминокислот, жирных кислот или моносахаридов) они попадают в общий путь катаболизма – 3 этап биологического окисления. 

3. Третий этап - в митохондриях. Ацетил-SКоА (и кетокислоты) включается в реакции цикла трикарбоновых кислот, где углероды веществ окисляются до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД, восстанавливают их и после этого НАДН и ФАДН2 переносят водород в цепь ферментов дыхательной цепи, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Сюда же отдают свои атомы водорода молекулы НАДН и ФАДН2, образованные на втором этапе (гликолиз, окисление жирных кислот и аминокислот). В этом этапе выделяется до 70% всей энергии вещества. Из 100% энергии окисляемой молекулы клетка запасает больше половины – 59%.

На внутренней мембране митохондрий в результате процесса под названием "окислительное фосфорилирование" образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ. Роль АТФ В ВОПРОСЕ 55.