Шпаргалка по "Биохимии"

Функции макроэргических  соединений:

1)выполняют функцию  доноров и акцепторов энергии  в обмене веществ;

2)служат аккумуляторами  энергии в биохимических процессах;

3)являются трансформаторами  энергии, преобразовывают стационарную энергию химической связи в мобильную энергию возбужденной молекулы

Ключевым веществом  в энергетическом обмене организма  является АТФ. Химическая энергия запасается путем образования АТФ при  окислении органических субстратов, а расходуется путем расщепления АТФ в процессах анаболизма. Креатинфосфат, фосфоенолпируват и 1,3-дифосфоглицерат являются АТФ-генерирующими веществами.

Свойства:

1.Изменение свободной  энергии при гидролизе фосфоангидридных  связей довольно велико – около 10 ккал/моль. Когда необходима энергия меньшая или равная 10 ккал/моль, гидролиз идет с отщеплением одной фосфатной группы от АТФ с образованием АДФ. Если необходима энергия ненамного большая, чем 10 ккал/моль, гидролиз идет с отщеплением пирофосфата и образованием АМФ. При необходимости энергии, значительно превышающей 10 ккал/моль, используется несколько молекул АТФ в одном процессе.

2.Скорость неферментативного  гидролиза АТФ мала, то есть молекула химически стабильна, и запасенная в ней энергия не рассеивается в виде тепла при спонтанном гидролизе. 

3.Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей свободно проникать в различные участки клетки, в то время как цитоплазматическая мембрана для нее непроницаема, то есть утечки АТФ из клетки не происходит.

4.Выбор АТФ как нуклеотида был вызван необходимостью взаимодействия с белками, так как взаимодействие белков с моно- и полинуклеотидами лежит в основе жизнедеятельности.

5.Среди азотистых оснований  аденин наиболее устойчив к действию ультрафиолета, что могло иметь значение на ранних этапах формирования живых систем.

Механизм действия АТФ: молекула АТФ осуществляет трансформацию энергии, будучи связана со специфическим белком. Закрепление АТФ на белковой молекуле сопровождается сближением трифосфатной части молекулы с пуриновой ее частью. Выделяющаяся при распаде макроэргической части между вставками фосфорной кислоты энергия передается на пуриновую часть молекулы. Она трансформируется при этом в мобильную энергию возбуждения электронов системы сопряженных двойных связей пуринового цикла, откуда поступает далее к месту химической реакции, переводя в возбужденное состояние электроны преобразуемого органического соединения. Это обеспечивает последнему повышенную реакционную способность, создавая, в частности, потенциальную возможность для обратного преобразования подвижной энергии возбуждения в стационарную энергию новых химических связей.

Химическая энергия, запасенная в форме АТФ, способна производить  работу четырех разных видов: 1) биосинтез, 2) сокращение и движение, 3) активный транспорт, 4) передача генетической информации.

3 Синтезированные в световую стадию фотосинтеза НАДФН₂ и АТФ расходуются для фиксации СО₂ в молекуле глюкозы в темновой стадии фотосинтеза. Фиксация углерода происходит в строме хлоропласта в так называемом цикле Кальвина. Общее уравнение цикла Кальвина:

(6Рибулозо-1,5-дифосфат) + 6СО₂ + 18АТФ + 12Н₂О + 12НАДФН₂ → (6Рибулозо-1,5-дифосфат) + Глюкоза + 18P_i + 18АДФ + 12НАДФ⁺.

Регуляция темновой стадии осуществляется через первую реакцию. Рибулозодифосфаткарбоксилаза может активироваться при следующих изменениях:

1. Повышение рН. При освещении хлоропластов ионы Н⁺ переходят из стромы в тилакоиды. Это приводит к повышению рН стромы и активирует рибулозодифосфаткарбоксилазу, находящуюся на наружной поверхности тилакоидной мембраны.
2. Поступление в строму Mg²⁺ при выходе Н⁺ из стромы в тилакоиды.
3. Накопление НАДФН₂, генерируемого при освещении фотосистемой I.

В тропических растениях  используется С₄-путь, или путь Хэтча-Слэка. У С₄-растений реакциям цикла Кальвина предшествует дополнительный этап, в ходе которого СО₂ фиксируется в форме четырехуглеродного соединения с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы (не путать с фосфоенолпируваткарбоксикиназой!).

С₄-растения расходуют на синтез глюкозы больше энергии, чем С₃-растения – на фиксацию одной СО₂ С₄-растениям нужно 5АТФ, а С₃-растениям только 3. Однако тропические растения должны избегать потерь воды, этого они достигают путем закрывания устьиц. Однако с этим уменьшается и поступление СО₂ в клетках обкладки. Вследствие этого концентрация СО₂ в клетках обкладки сравнительно невелика, из-за этого рибулозодифосфаткарбоксилаза не способна действовать с максимальной скоростью. У фосфоенолкарбоксилазы в клетках мезофилла сродство к СО₂ гораздо выше, поэтому фиксация и накопление СО₂ в виде малата выгоднее.

Фотодыхание не сопровождается окислительным фосфорилированием и часть восстановительной силы, генерируемой в световых реакциях, отвлекается таким образом на восстановление кислорода, вместо того чтобы расходоваться на биосинтез. В отличие от этого у С₄-растений соотношение СО₂/О₂ в клетках обкладки остается сравнительно высоким благодаря предшествующему этапу. Кроме того, закрывание устьиц в листьях С₄-растений не только предотвращает потери воды, но и ограничивает поступление атмосферного О₂ в листья.

25.1 Начинают перевариваться в желудке. Попадающие в желудок, стимулируют выделение гормона гастрина эпителиальными клетками желудка. Гастрин вызывает секрецию соляной кислоты обкладочными клетками желез слизистой желудка, а также пепсиногена главными клетками. Желудочный сок имеет рН от 1,5 до 2,5. Он действует как антисептик, убивая большинство бактерий. Кроме того, глобулярные белки подвергаются денатурации, их молекулы разворачиваются и вследствие этого внутренние пептидные связи полипептидных цепей становятся более доступными для ферментативного гидролиза. Пепсиноген превращается в активный пепсин путем автокатализа. В желудке пепсин гидролизует по карбоксильной группе те пептидные связи, которые образованы в основном ароматическими аминокислотами. В итоге из длинных полипептидных цепей образуется смесь более коротких пептидов.

Как только кислое содержимое желудка попадает в тонкий кишечник, в нем под влиянием низкого рН начинается секреция гормона секретина, поступающего в кровь. Этот гормон вызывает выделение из поджелудочной железы в тонкий кишечник бикарбоната, что приводит к нейтрализации рН желудочного сока. В тонком кишечнике переваривание белков продолжается. Поступление аминокислот в двенадцатиперстную кишку вызывает высвобождение гормона холецистокинина, который стимулирует секрецию нескольких ферментов поджелудочной железы с оптимумом в слабощелочной среде. Трипсиноген подвергается активированию с помощью фермента энтерокиназы, синтезируемой клетками кишечника, а также автокаталитически. Трипсин катализирует гидролиз полипептидов по карбоксильным группам остатков лизина и аргинина. Химотрипсиноген активируется трипсином. Химотрипсин гидролизует пептиды по карбоксильным группам ароматических аминокислот. Карбоксипептидаза синтезируется в поджелудочной железе в виде неактивного зимогена прокарбоксипептидазы и осуществляет последовательное отщепление С-концевых остатков. Аминопептидаза синтезируется клетками тонкого кишечника и осуществляет последовательное отщепление N-концевых остатков за исключением пролина. Дипептидаза гидролизует дипептиды.

В конце концов, свободные  аминокислоты транспортируются через эпителиальные клетки, выстилающие тонкий кишечник, проникают в капилляры ворсинок и переносятся кровью в печень.

2. Обмен веществ (метаболизм) – это  совокупность всех ферментативных химических реакций, которые могут протекать в клетке. Превращение химических соединений в клетке осуществляется в виде последовательностей реакций, которые называются метаболическими путями, а вовлекаемые в такие реакции соединения – метаболитами. Метаболические пути разделяются на два типа: катаболические и анаболические. Катаболические пути – это процессы ферментативного распада, в ходе которого крупные органические молекулы разрушаются в окислительных реакциях до простых клеточных компонентов с одновременным выделением свободной химической энергии. Анаболические пути – это процессы ферментативного синтеза, в ходе которых из относительно простых предшественников строятся сложные органические молекулы; их синтез часто включает восстановительные этапы и сопровождается затратой свободной химической энергии.

В наиболее употребительном  значении термин «метаболизм» равнозначен обмену веществ и энергии, в более точном и узком смысле метаболизм означает промежуточный обмен, то есть превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Промежуточный обмен веществ изучает динамическая биохимия.

Метаболизм слагается  из сотен различных ферментативных реакций, но центральные метаболические пути немногочисленны и почти у всех живых форм едины.

Практически все метаболические пути осуществляются с помощью мультиферментных систем и могут быть двух типов:

А. Линейный метаболический путь.

 Предшественник А  превращается в продукт F в  результате пять последовательных ферментативных реакций. Продукт одной реакции служит субстратом следующей.

Б. Циклический метаболический путь.

 Именно таким образом  происходит окисление ацетильных групп до СО2 и Н2О в цикле лимонной кислоты и образование мочевины в цикле мочевины.

Катаболические пути сходятся, образуется лишь небольшое  число конечных продуктов.

Катаболический путь и соответствующий ему, но противоположный по направлению анаболический путь между данным предшественником и данным продуктом обычно не совпадают. Могут различаться и промежуточные продукты, и отдельные стадии этих путей. Причины этого:

1)путь, по которому  идет расщепление той или иной  биомолекулы, может быть непригодным для ее биосинтеза по энергетическим соображениям;

2)необходимость раздельной регуляции процессов биосинтеза и расщепления, часто пути различны по своей локализации.

Общие стадии катаболических и анаболических путей называются амфиболическими.

Пути превращения основных пищевых веществ клетки – углеводов, жиров и белков – называются первичным, или центральным метаболизмом. Вторичный метаболизм – это образование различных специализированных веществ (коферментов, гормонов, нуклеотидов, пигментов, токсинов, антибиотиков, алкалоидов), требующихся клеткам в малых количествах. Во многих случаях эти пути плохо изучены и весьма сложные.

Одно из элементарных фундаментальных свойств живой  материи состоит в том, что в системах, обладающих свойствами живого, энергия, необходимая для осуществления химической реакции, при высвобождении в одной точке может быть передана в другую точку, где она непосредственно используется. Это означает, что в живой природе нет необходимости в непосредственном контакте путем соударения молекулы, поставляющей энергию, с молекулой, нуждающейся в энергии. Это принципиально отличает ход химического процесса в живых объектах от такового в неживых.

Клеточный метаболизм основан  на принципе максимальной экономии. В организме откладываются жиры и углеводы как источники энергии и углерода, но белки, нуклеиновые кислоты и простые биомолекулы вырабатываются только по мере необходимости и в определенном количестве. Исключение составляют только семена растений и яйцеклетки животных.

Регуляция метаболических путей осуществляется на трех уровнях:

1.Аллостерическая регуляция. Наиболее быстро реагирует на ситуацию. Аллостерический фермент обычно стоит в начале мультиферментной системы и лимитирует скорость всего процесса в целом. Активатором часто служат исходные вещества, ингибитором – конечный продукт. Известны случаи, когда фермент специфическим образом реагирует на промежуточный или конечный продукт других метаболических путей.

2.Индукция ферментов.  При накоплении субстрата происходит  изменение концентрации данного фермента в клетке. Например, высокая внутриклеточная концентрация субстрата А может стимулировать биосинтез ферментов Е1, Е2, и Е3, в результате чего избыток субстрата А метаболизируется

3.Гормональная регуляция  – свойственна для многоклеточных  организмов. Заключается в том, что под влиянием гормонов изменяется или активность фермента, или количество фермента, или проницаемость клетки для субстрата.

Главная задача катаболизма  – аккумуляция энергии, полученной в результате окислительно-восстановительных превращений субстратов в такую форму, которая может быть использована для роста клеток и осуществления всех их функций. Совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами, называется биологическим окислением. 

3. Светлопоглощающие пигменты тилакоидных мембран собраны в функциональные ансамбли, называемые фотосистемами. Такие фотосистемы способны поглощать свет в пределах всего видимого спектра, однако особенно интенсивно они поглощают свет в пределах всего видимого спектра, однако особенно интенсивно они поглощают в двух областях: 400-500 и 600-700 нм. Все пигментные молекулы данной фотосистемы поглощают фотоны, но только одна молекула в каждом ансамбле обладает способностью превращать световую энергию в химическую. Эта молекула называется фотохимическим реакционным центром, все остальные – светособирающими или антенными молекулами. Их функция заключается в поглощении световой энергии. Эту энергию они затем очень быстро передают отдельным реакционным центрам, в которых и происходит фотохимический акт.

Фотосистемы бывают двух типов, каждая со своим набором светособирающих молекул хлорофиллов и каротиноидов и со своим фотохимическим реакционным центром: