Файл: ОсновыбиоэнергетикиДоц. Петушок Н. Э.pdf

Основы
биоэнергетики
Доц. Петушок Н.Э.

Чтобы оставаться в живых, расти и воспроизводиться живые клетки и организмы должны выполнять работу Энергия им нужна для:
-
синтеза клеточных компонентов
-
генерации концентрационных и электрических
градиентов
-
движения
-
продукции тепла
-
и многих других процессов

Биоэнергетика занимается количественным исследованием преобразований энергии в живых системах, а также химическими процессами, лежащими в основе этих преобразований

Солнечная
энергия
Химическая
энергия
Растения используют солнечную энергию для синтеза органических
веществ
Животные получают энергию из готовых органических веществ
Чтобы получать энергию из пищи, животным нужен О
2
СО
2 нужен растениям для синтеза углеводов
Потоки веществ и энергии в биосфере

АВТОТРОФЫ
О
2
ГЕТЕРОТРОФЫ
СО
2
Н
2
О
Органические
соединения
растения, водоросли,
бактерии
животные, грибы, бактерии

Живые клетки- это открытые системы, обменивающиеся со своим окружением как веществами, таки энергией
Окружение
Обмен
энергией
Обмен
веществами
Система

Изменения энергии, происходящие в химической реакции, описываются следующими термодинамическими величинами Свободная энергия Гиббса (G)
– та часть энергии, которая может производить работу при постоянной температуре и давлении Энтальпия (H)
– внутренняя энергия или теплота, содержащаяся в системе .
• Энтропия (S)
– мера неупорядоченности системы
Часть энергии, которая не может быть преобразована в работу, называется связанной энергией)

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии
при любом физическом или химическом изменении,
общее количество энергии во вселенной остается постоянным. Энергия может переходить из одной формы в другую или может перераспределяться, ноне может исчезнуть
Энергия
до
Энергия
после
Преобразования энергии в биологических системах подчиняются законам термодинамики

Переходы энергии
Химическая энергия
Химическая энергия
Кинетическая энергия
Энергия света

Второй закон термодинамики гласит, что все процессы во вселенной стремятся к увеличению беспорядка в результате естественных процессов энтропия вселенной возрастает

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений

В условиях, существующих в биологических системах (постоянные температура и давление, изменения свободной энергии, энтальпии и энтропии количественно связаны друг с другом уравнением :
∆G = ∆H – T∆S

• Если ΔG отрицательна (─ΔG), реакция будет протекать самопроизвольно с выделением энергии, и эта реакция называется
экзергонической реакцией Если ΔG положительна (+ΔG), реакция не будет протекать самопроизвольно и должна подпитываться энергией извне такая реакция называется
эндергонической реакцией

Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций
В биологических системах
эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии
экзергонических

Живые системы часть энергии сохраняют в химической форме разность электрохимических потенциалов, макроэргические соединения)
Экзергонические
реакции:
катаболизм
тканевое дыхание
Эндергонические
реакции:
анаболизм
активный транспорт
Образование АТФ
–
эндергонический
процесс
Гидролиз АТФ
–
экзергонический
процесс

Макроэрги клетки
Макроэргические соединения содержат химическую связь, богатую энергией
(макроэргическую связь)
Макроэргическая связь – это связь, гидролиз которой сопровождается высвобождением свободной энергии (─ΔG) более 5 ккал / моль (21 кДж / моль)
Макроэргическая связь обозначается знаком “ (тильда)

Есть два типа макроэргических соединений Фосфатсодержащие макроэргические соединения
креатинфосфат, 1,3-бисфосфоглицерат,
фосфоенолпируват, карбамоилфосфат, АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты
• Серосодержащие макроэргические
соединения(тиоэфиры):
ацетил-КоА, ацил-КоА,
сукцинил-КоА

ATФ
АТФ - универсальная энергетическая валюта, потому что только это соединение может немедленно отдать свою энергию, содержащуюся в
макроэргической связи, для выполнения любого типа работы в живой клетке
Энергия
экзергонических
реакций
Энергия для
эндергонических реакций

Ф

Пути синтеза и использования АТФ
ATФ
Мышечное сокращение
Non
Активация субстратов
Активный транспорт
Реакции синтеза
Секреция
Регуляция
Окислительное
фосфорилирование
(90%)
Субстратное
фосфорилирование
(10%)
Генерация нервных импульсов
Теплопродукция

Биологическое окисление
это клеточный процесс, в котором органические вещества входе окислительно-восстановительных реакций выделяют энергию (АТФ, и Окисление субстратов возможно путем присоединения кислорода
–
отщепления электронов /протонов
Эти процессы происходят с участием ферментов

Тканевое дыхание представляет собой ряд реакций, которые происходят в клетках для преобразования химической энергии питательных веществ в АТФ с высвобождением конечных продуктов метаболизма конечным акцептором электронов в процессах тканевого дыхания является кислород заключительный этап происходит в митохондриях

Около
40%
энергии пищи
запасается в виде
ATФ, оставшиеся
60% выделяются в виде тепла
тепло
тепло
тепло
тепло
работа
биосинтез
Тканевое
дыхание
Переваривание и
всасывание
Органические молекулы пищи
Органические молекулы в клетках

Митохондрия
Основная функция - окисление метаболического топлива и сохранение свободной энергии за счет синтеза АТФ

Митохондрия
(структура)
Внутренняя мембрана непроницаема для большинства малых молекул и ионов, в том числе
Н
+
Содержит:
•переносчики электронов (комплексы I-IV)
•АДФ-АТФ транслоказу
•АТФ-синтазу (другие мембранные транспортеры
Матрикс содержит:
•пируватдегидрогеназный комплекс
•ферменты ЦТК
•ферменты окисления жирных кислот
•ДНК, рибосомы

Электроны двигаются от переносчиков с низким восстановительным потенциалом к переносчикам с высоким
Сукцинат-КоQ-
оксидоредуктаза
Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
ЦПЭ состоит из нескольких комплексов, следующих друг за другом в определенной
последовательности
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с оксидаза

Цепь переноса электронов (ЦПЭ)
Компоненты ЦПЭ переносят протоны и электроны (или только электроны) от восстановленных субстратов (SH
2
) или от восстановленных коферментов таких как НАД или ФАДH
2
) к кислороду (O
2
) с образованием воды в результате

Таким образом, ЦПЭ представляет собой последовательность окислительно-восстановительных реакций, входе которых выделяется свободная энергия. Часть этой энергии (около 50-75%) накапливается в
макроэргических связях АТФ, а другая часть свободной энергии выделяется в виде тепла

НАД
+
(никотинамиалениндинуклеотид)
Переносчики ЦПЭ: НАД

Переносчики ЦПЭ: ФМН
Простетическая группа белка ЦПЭ (комплекс акцептор 1 или х электронов

Переносчики ЦПЭ: кофермент Q Мобильный переносчик электронов внутри бислоя
мембраны
акцептор 1 или 2-х
электронов

Переносчики ЦПЭ: цитохромы
Гемопротеины
Цитохром с -растворимый периферический
белок.
В основном это интегральные белки

Переносчики ЦПЭ
: железо- серные белки

Переносчики ЦПЭ
:
медные центры

Cu
A
центр

Cu
B
центр

Белки, участвующие в переносе электронов в ЦПЭ

Переносчики электронов в ЦПЭ образуют
полиферментные комплексы

Комплекс I
НАДH-КoQ
оксидоредуктаза

Комплекс II:
сукцинат-КoQ
оксидоредуктаза
Комплекс II
(сукцинатдегидрогеназа)

Комплекс III: К- цитохром c оксидоредуктаза

Комплекс IV:
цитохромoксидаза

Некоторые переносчики способны перекачивать протоны через мембрану
Сукцинат
дегидрогеназа
ЦПЭ
4 H
+
4 H
+
2 На каждую пару электронов H
+
4 H
+
4 H
+
НАДН-КоQ-
оксидоредуктаза
КоQН
2
-цитохром с
оксидоредуктаза
Цитохром с
оксидаза
В межмембранное пространство:
Протонный градиент используется АТФ-
синтазой для синтеза АТФ

Особенности энергетического обмена в детском возрасте
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 47-56

Гипоэнергетические состояния у детей
См.
Лелевич, В. В. Обмен веществ в детском организме : учебное пособие для студентов учреждений высшего образования по специальности 1-79 01 02 Педиатрия" / В. В. Лелевич, В. М. Шейбак, А. А. Масловская. – Гродно : ГрГМУ, С. 56-57

Нарушения энергетического обмена
гипоксии
Гипоксия - пониженное содержание кислорода в организме или отдельных органах и тканях
Гипоксии делятся на 2 группы. Гипоксия вследствие снижения парциального давления
кислорода во вдыхаемом воздухе (экзогенная. Гипоксия при патологических процессах, нарушающих
снабжение тканей кислородом при нормальном его
содержании в окружающей среде (5 типов

Типы гипоксий
• Дыхательная (респираторная) — при нарушении транспорта кислорода из атмосферы в кровь Циркуляторная — при нарушениях кровообращения Гемическая (кровяная) — при снижении кислородной ёмкости крови Тканевая (гистотоксическая) — при нарушении использования кислорода тканями Смешанная