Макроэргическая связь и соединения. какие связи называются макроэргическими?

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Общая характеристика пируватдегидрогеназного комплекса

При окислении глюкозы, глицерина и аминокислоты аланина образуется пировиноградная кислота (пируват). Пируват далее может
быть окислен до СО₂ в общем пути
катаболизма. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме, а окисление пирувата — в митохондриях, поэтому пируват
транспортируется в митохондрии специальным переносчиком через мембрану. Первый
шаг катаболизма пирувата — окислительное декарбоксилирование.

В этом процессе участвуют ферменты, работающие в
определенной последовательности и объединенные в мультиферментный
пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГК).

В состав этого комплекса входит 3 фермента и 5
коферментов.

Ферменты:

Пируватдегидрогеназа (Е₁)

Дигидролипоилацетилтрансфераза (Е₂)

Дигидролипоилдегидрогеназа (Е₃).

Коферменты:

Тиаминдифосфат (ТДФ) — производное витамина В₁

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) — производное
витамина никотинамида РР

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) — производное витамина В₂

Кофермент А (КоА-SH)

Липоевая кислота ковалентно связана
с боковой цепью лизина фермента Е₂ (липоамид)

Реакции окислительного декарбоксилирования пирувата

Две последние реакции необходимы для регенерации
активных форм коферментов, участвующих в окислительном
декарбоксилировании пирувата.
Образовавшийся в пятой реакции НАДН поступает в
дыхательную цепь под действием НАДН-дегидрогеназы.
При окислении в дыхательной цепи 1 моль НАДН образуется 3 моль АТФ.

Регуляция ферментов пируватдегидрогеназного комплекса.

Ингибирование продуктами реакции:

Ацетил-КоА и НАДН
подавляют активность ПДГ-комплекса.

Регуляция нуклеотидами по принципу обратной связи.

Пируватдегидрогеназа ингибируется ГТФ и активируется АМФ.

Регуляция путем ковалентной модификации.

Пируватдегидрогеназа дезактивируется при фосфорилировании
по остатку серина киназой пируватдегидрогеназы, при этом образуется неактивная фосфорилированная форма фермента (ПДГ-b) . При дефосфорилировании, катализируемом фосфотазой,
активность фермента восстанавливается (ПДГ-a). Ацетил-КоА и НАДН являются положительными эффекторами
киназы пируватдегидрогеназы.
НАДН и ацетил-КоА накапливаются при увеличении клеточного
заряда, поэтому увеличение уровня АТФ также приводит к увеличению активности киназы. При увеличении концентрации пирувата,
АДФ, КоА-SH, НАД+ активность киназы
снижается, а, следовательно, возрастает количество активной формы ПДГ-а.

Значение окислительного декарбоксилирования пирувата

Реакции пируватдегидрогеназного
комплекса связывают метаболические пути гликолиза, глюконеогенеза,
синтеза жирных кислот с циклом лимонной кислоты. ПДГ-комплекс
имеет огромное значение в поддержании гомеостаза. Энергетический метаболизм
аэробных тканей (например, мозга) очень зависит от превращения пирувата в ацетил-КоА, поэтому
такие ткани более чувствительны к нарушениям ПДГ-комплекса.
Большинство нарушений, связанных с недостаточностью пируватдегидрогеназной
активности, обусловлены мутациями пируватдегидрогеназы.
Главными последствиями таких нарушений являютсяэнцефалопатии и церебральные молочные ацидозы.

Поток энергии и вещества в клетке

Таким образом, АТФ в клетке занимает центральное и главное место в обмене материи. Реакций, посредством которых возникает и распадается АТФ, довольно много (фосфорилирование окислительное и субстратное, гидролиз). Биохимические реакции синтеза этих молекул обратимы, при определенных условиях они в клетках смещаются в сторону синтеза или распада. Пути этих реакций отличаются по количеству превращений веществ, типу окислительных процессов, по способам сопряжения энергоподающих и энергопотребляющих реакций. Каждый процесс имеет четкие приспособления к обработке конкретного вида «топлива» и свои пределы эффективности.

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Характер метаболизма в тканях во многом определяется
питанием. У человека метаболическим превращениям подвергаются, главным образом,
глюкоза, жиры и аминокислоты. Глюкоза и аминокислоты — структурные компоненты
белков и углеводов. Таким образом, необходимыми компонентами пищи являются
белки углеводы и жиры.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов
можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

Первая фаза — подготовительная. Она необходима для превращения полимеров,
поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения
энергии форму — мономеры. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии,
запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза — частичный распад мономеров до ключевых промежуточных
продуктов: пирувата, ацетил-КоА
и некоторых метаболитов цикла Кребса. На этом этапе освобождается около 20%
энергии. Эта стадияназывается промежуточный обмен. Реакции промежуточного
обмена протекают в цитоплазме.

Третья фаза — окончательный
распад всех веществ до CO₂ и H₂O. Этот этап включает реакции общего пути катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата,
цикл Кребса) и цепь переноса электронов. Примерно 80%
всей энергии химических связей освобождается в данной фазе. Все реакции этой
фазы локализуются в митохондриях.

Макроэргические соединения, макроэрги (фосфагены)

Активное вещество: Аденозинтрифосфат

Названия товаров: Натрия аденозинтрифосфат

Эффекты, фармгруппы

• Сосудорасширяющие (вазодилатирующие) средства, вазодилататоры
• Антиангинальные средства, корректоры нарушений коронарного кровообращения
• Антиаритмические средства, антиаритмики
• Антигипертензивные, гипотензивные средства
• Метаболические средства (регулирующие обмен веществ)
• Нарушений мозгового кровообращения корректоры
• Средства с отрицательным хронотропным эффектом

Области применения

• Атеросклероз сосудов
• Болезнь / синдром Рейно
• Дефицит или снижение массы тела, гипотрофия, дистрофия, истощение, кахексия
• Миокардиодистрофия, дистрофия миокарда, кардиосклероз
• Мышечная дистрофия и атрофия (миодистрофия, миоатрофия)
• Наджелудочковая (суправентрикулярная) аритмия
• Облитерирующие (окклюзионные) заболевания артерий
• Облитерирующий тромбангиит, болезнь Бюргера
• Облитерирующий эндартериит
• Полиомиелит
• Рассеянный склероз
• Ретинопатии, заболевания сетчатки глаза
• Слабость родовой деятельности
• Тахикардия
• Хроническая ишемическая болезнь сердца, стенокардия

Активное вещество: Витамин Q (убихинон)

Названия товаров: Коэнзим-Q10 | Кудесан форте | Кудесан | Доппельгерц коэнзим-Q10 | Коэнзим-Q10 форте | Коэнзим-Q10 энергия клеток | Нау фудс кофермент Q10 | Нэйчес баунти коэнзим-Q10 | Солгар коэнзим-Q10 | Солгар нутрикоэнзим-Q10

Эффекты, фармгруппы

• Антиатерогенные, противоатеросклеротические средства
• Антиоксидантные средства, антиоксиданты
• Кардиопротекторные (кардиопротективные) средства, кардиопротекторы
• Мембранопротекторные (мембранопротективные) средства, мембранопротекторы
• Онкопротективные средства

Области применения

• Артериальная гипертензия, артериальная гипертония, гипертоническая болезнь
• Недомогание, утомляемость, астеническое состояние (астения)
• Атеросклероз сосудов
• Гепатиты, гепатозы
• Гиперхолестеринемия (повышенное содержание холестерина в крови)
• Дилатационная кардиомиопатия
• Избыточная масса тела, ожирение
• Иммунодефицитные состояния, иммунодефициты
• Миастения, миастенический синдром
• Миокардиодистрофия, дистрофия миокарда, кардиосклероз
• Нарушения ритма сердца, сердечные аритмии
• Пожилой и старческий возраст
• Профилактика онкологических заболеваний
• Синдром слабости синусового узла (СССУ)
• Хроническая (застойная) сердечная недостаточность
• Хроническая ишемическая болезнь сердца, стенокардия
• Цирроз печени
• Экстрасистолия

Эффекты, фармгруппы

• Антиаритмические средства, антиаритмики
• Кардиопротекторные (кардиопротективные) средства, кардиопротекторы
• Кардиотонические (инотропные) средства
• Мембранопротекторные (мембранопротективные) средства, мембранопротекторы
• Метаболические средства (регулирующие обмен веществ)

Области применения

• Острая ишемическая болезнь сердца, нестабильная стенокардия, инфаркт миокарда
• Острая сердечная (левожелудочковая) недостаточность
• Острые нарушения мозгового кровообращения, транзиторная ишемическая атака, ишемический инсульт
• Период тяжелых физических или умственных нагрузок, переутомление
• Хроническая (застойная) сердечная недостаточность

Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Клеточное дыхание

Главный путь синтеза АТФ из АДФ — окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H₃PO₄ +
энергия АТФ + H₂O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с
восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются
при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых
организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при
этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, аводород (Н+ и е-)
переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды, называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ — субстратное фосфорилирование. В этом случае
макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии
макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ
в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит
непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и
физиологических процессах.

Какие связи называются макроэргическими?

Уровень свободной энергии в 12,5 кДж/моль, которая образуется при образовании или распаде химической связи считается нормальной. Когда при гидролизе некоторых веществ происходит образование свободной энергии больше 21 кДж/моль, то это называют связями макроэргическими. Они обозначаются символом «тильда» — ~. В отличие от физической химии, где под макроэргической связью подразумевается ковалентная связь атомов, в биологии имеют в виду разность между энергией исходных агентов и продуктов их распада. То есть, энергия не локализована в конкретной химической связи атомов, а характеризует всю реакцию. В биохимии говорят о химическом сопряжении и образовании макроэргического соединения.

И немного про энергетические станции

Как уже говорилось, синтез АТФ происходит в специализированных органеллах клетки – митохондриях. И сегодня в среде биологов ведутся споры по поводу происхождения этих удивительных структур. Митохондрии – это электростанции клетки, «топливом» для которых являются белки, жиры, гликоген, а электричеством – молекулы АТФ, синтез которых проходит при участии кислорода. Можно сказать, что мы дышим, чтобы митохондрии работали. Чем большую работу должны выполнять клетки, тем больше им необходимо энергии. Читай – АТФ, а значит – митохондрий.

Например, у профессионального спортсмена в скелетных мышцах содержится порядка 12% митохондрий, а у неспортивного обывателя их вполовину меньше. А вот в сердечной мышце их показатель – 25%. Современные методики тренировок спортсменов, особенно марафонцев, основан на показателях МКП (максимального потребления кислорода), который напрямую зависит от количества митохондрий и способности мышц выполнять длительные нагрузки. Ведущие тренировочные программы для профессионального спорта направлены на стимуляцию синтеза митохондрий в клетках мышц.

Функции высокоэнергетичных биомолекул

Кроме функции донора и акцептора энергии при процессах распада и синтеза высокомолекулярных соединений, молекулы АТФ играют еще несколько очень важных ролей в клетках. Энергия разрыва макроэргических связей используется в процессах теплообразования, механической работы, накопления электричества, свечения. При этом преобразование энергии химических связей в тепловую, электрическую, механическую одновременно служит и этапом энергетического обмена с последующим запасанием в тех же макроэнергетических связях АТФ. Все эти процессы в клетке называются пластическим и энергетическим обменами (схема на рисунке). Молекулы АТФ выступают еще и в роли коферментов, регулируя активность некоторых ферментов. Кроме того, АТФ может быть и медиатором, сигнальным агентом в синапсах нервных клеток.

Макроэргические соединения и связи

Главными материальными носителями свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется.

Если изменение уровня свободной энергии соединения при возникновении или распаде химической связи составляет около 12,5 кДж/моль преобразуемого вещества, то такая связь по своему энергетическому уровню считается нормальной.

Именно такую размерность имеет изменение уровня свободной энергии при преобразовании большинства связей в органических соединениях. Однако при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических соединений изменяется в гораздо большей степени и составляет 25—50 кДж/моль и более. Такие соединения называются макроэргическими соединениями, а связи, при преобразовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе вещества, ‒ макроэргическими связями.

Последние в отличие от обычных связей обозначают значком “~”.

Макроэргические связи представлены преимущественно сложноэфирными, в том числе и тиоэфирными, ангидридными и фосфоамидными связями. Однако наиболее интересно, что почти все известные соединения с макроэргическими связями содержат атомы Р и S, по месту которых в молекуле эти связи локализованы.

Именно та энергия, которая высвобождается при разрыве макроэргических связей, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем свободной энергии, чем исходные.

В то же время запасы макроэргических веществ в организме постоянно пополняются путем аккумулирования энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распадающихся соединений.

Таким образом, макроэргические вещества выполняют функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ; они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах.

Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т.е. в энергию возбужденного состояния молекулы. Последний вид энергии и служит непосредственным источником реакционной способности молекул; преобразуясь снова в стационарную форму энергии химической связи, он энергетически обеспечивает видоизменение веществ, их преобразование, т.е. их обмен в организме.

К макроэргическим соединениям относятся, главным образом, аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и вещества, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса преимущественно фосфатных групп, а также нуклеозидтри- (или ди) -фосфорные кислоты, пирофосфорная и полифосфорная кислоты, креатинфосфорная, фосфопировиноградная, дифосфоглицериновая кислоты, ацетил- и сукцинилкоферменты А, аминоацильные производные адениловой и рибонуклеиновых кислот и другие.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Креатинфосфат

Энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений и за счет которой может быть совершена та или иная работа, используется не только для химического синтеза.

Она может служить в организме для теплообразования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы и т.п. При этом химическая энергия преобразуется в тепловую, лучистую, электрическую, механическую и пр.

Оценка эффективности

Показатели эффективности преобразования энергии в биосистемах невелики и оцениваются в стандартных величинах коэффициента полезного действия (отношения полезной, потраченной на выполнение работы, к общей затраченной энергии). Но вот, на обеспечение выполнения биологических функций, затраты необходимы очень большие. Например, бегун, в пересчете на единицу массы, тратит столько энергии, сколько и большой океанский лайнер. Даже в состоянии покоя поддержание жизни организма – это тяжелая работа, и на нее тратится порядка 8 тысяч кДж/моль. При этом на синтез белков расходуется около 1,8 тысячи кДж/моль, на работу сердца – 1,1 тысячи кДж/моль, а вот на синтез АТФ – до 3,8 тысячикДж/моль.

Синтез АТФ

Реакция синтеза АТФ – это реакция фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Рис. 6-1).

АДФ + Н3РО4 → АТФ + Н2О.

Это эндергоническая реакция, которая протекает только при посту­плении свободной энергии извне, так как ΔG = + 30,5 кДж/моль

( + 7.3 ккал/ моль).

Сле­довательно, синтез АТФ может протекать лишь при условии энергетического сопряже­ния с экзергоническими реакциями. В зависимости от источника свободной энергии су­ществует два пути синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование иокислительное фосфорилирование .

Синтез АТФ путем субстратного фосфорилирования

Субстратное фосфорилирование — это путь синтеза АТФ, сопряженный с реакцией гидролиза макроэргических связей в макроэргических соединениях.

Макроэргические соединения 1,3-ДФГ, ФЕП,креатинфосфат имеют более высокий потенциал пере­носа фосфатной группы, чем АТФ. В связи с этим, они могут переносить свою фосфорильную группу на АДФ, с образованием АТФ.

Эндергоничекая рекция: АДФ + Н3РО4→АТФ + Н2О, ΔG = +30,5 кДж/моль

( + 7.3 ккал/ моль).

Экзергоническая реакция:

СН2 СН3

║δ+ δ+ О- |

С← О ~ Р ==О + Н2О → С=О + Н3РО4

↓ О- |

СООН СООН

ФЕП ПВК

ΔG= — 61,9 кДж/моль (- 14,8 ккал/моль).

Путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты, богатой энергией, с этих макроэргических соединений на АДФ и синтезируется АТФ.

ΣФЕП +АДФ→ПВК +АТФ

К макроэргическим соединениям относятся и соединения с тиоэфирными связями.

На­пример, сукцинил~S-KoA. При разрыве тиоэфирной связи высвобождается энергия, ко­торая используется на синтез ГТФ (ГДФ+Н3РО4 → ГТФ + Н2О). Сукцинил~S-KoA + ГДФ +Н3РО4→ Сукцинат + ГТФ + HS~КоА , ΔG=-35.5 кДж/моль.

Синтез АТФ путем окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование — это основной путь синтеза АТФ, за счет энергии окисления субстрата кислородом.

Процесс окислительного фосфорилирования осуществ­ляется вмитохондриях. Митохондрии справедливо называют «энергетическими стан­циями»клеток, так как они улавливают энергию внешних ресурсов и трансформируют ее в другие формы энергии. Условно можно разделить процесс окислительного фосфорилирования на 4 этапа.

1. Окисление энергетических субстратов в матриксе митохондрий.

2. Окисление НАДН и ФАДН2 в митохондриальной дыхательной цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμH+ за счет энергии окисления энергети­ческих субстратов.

4. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала.

Донор и акцептор

К макроэргическим соединениям относят еще и вещества с длинными названиями, которые могут образовывать молекулы АТФ в реакциях гидролиза (например, пирофосфорная и пировиноградная кислоты, сукцинилкоферменты, аминоацильные производные рибонуклеиновых кислот). Все эти соединения содержат атомы фосфора (P) и серы (S), между которыми и находятся высокоэнергетические связи. Именно энергия, которая высвобождается при разрыве макроэргической связи в АТФ (донор), поглощается клеткой при синтезе собственных органических соединений. И в то же время запасы этих связей постоянно пополняются при аккумулировании энергии (акцептор), выделяющейся при гидролизе макромолекул. В каждой клетке человеческого организма эти процессы происходят в митохондриях, при этом продолжительность существования АТФ меньше 1 минуты. За сутки наш организм синтезирует порядка 40 килограммов АТФ, которые проходят до 3 тысяч циклов распада каждая. А в каждый отдельно взятый момент в нашем организме присутствует порядка 250 грамм АТФ.

Универсальный биоисточник энергии

Все живые организмы на нашей планете имеют один универсальный элемент запасания энергии – это макроэргическая связь АТФ — АДФ – АМФ (аденозин три, ди, монофосфорная кислота). Это биомолекулы, которые состоят из азотосодержащей основы аденина, прикрепленного к углеводу рибоза, и присоединенным остаткам ортофосфорной кислоты. Под действием воды и фермента рестриктазы молекула аденозинтрифосфорной кислоты (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) может распасться на молекулу аденозиндифосфорной кислоты и ортофосфатную кислоту. Эта реакция сопровождается выделением свободной энергии порядка 30,5 кДж/моль. Все процессы жизнедеятельности в каждой клетке нашего тела происходят при аккумуляции энергии в АТФ и использовании ее при разрыве связей между остатками ортофосфорной кислоты.