Шпаргалка по "Биофизике"

25.Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах. ТД сопряжение экзэргонической и эндэргонической стадии биопроцессов; примеры. Направление химической реакции определяется значением δG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Выделяется тепло, т.е. часть хим. Е переходит  в тепловую. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение δG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.                                                                                                                          Если δG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими. ТД потенциалы увеличивается. Если абсолютное значение δG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При δG, равном нулю, система находится в равновесии                                                                                                                      Катаболические процессы являются экзергоническими, т. е. идут с уменьшением свободной энергии (∆G<0); анаболические процессы - эндергонические, они протекают с увеличением свободной энергии (∆G >0).Чем больше отрицательное значение ∆G, тем больше количество работы, которую может совершить данная система. Максимальная работа совершается, если реакция полностью обратима, но если в реакции есть необратимый этап, часть энергии рассеивается в виде тепла. Все биохимические процессы протекают с уменьшением ∆G до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия, при котором изменение свободной энергии минимально, а энтропия максимальна.При dG равном нулю система находится в равновесии. Такое состояние в неживой природе является конечным состоянием, в направлении которого эволюционируют все ТД системы. Жизненно важные процессы в орг. – реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, транспорт через мембраны – получают энергию путём хим.сопряжения с окислительными реакциями, в рез. кот.-ых происходит высвобождение энергии. Это значит энд. реакции в орг. сопряжены с экз. Для сопряжения энд. реакций с экз. реакциями необходимы аккумуляторы энергии в орг., в которых запасается примерно  50% энергии.

Аккумуляторы энергии  в орг.: 1). Внутр. мембрана МТ – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. Энергия эл.хим. потенциала траснф. в энергию АТФ.2). АТФ и другие макроэргические соединения (носителем Е в орг.вещ. явл. хим. связи м/у атомами). Основной макроэрг – АТФ (субстратное и окислительное фосфор.)

При синтезе белков и нуклеиновых  кислот от АТФ отщепляется не одна концевая фосфатная группа, а две  последние (пирофосфат). Таким образом, все процессы накопления (аккумулирования) энергии в организмах должны сводиться к процессам образования АТФ, т. е. фосфорилирования (включения фосфатных групп в АДФ или АМФ).

 

 

 

 

 

 

 

26. ТД характеристика анаэробного распада глюкозы. Расчёт КПД.

Гликолиз  – это серия реакций, в результате которых глюкоза  распадается на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две молекулы лактата (анаэробный гликолиз). В процессе гликолиза часть свободной энергии распада глюкозы превращается в АТФ и НАДН.

Гликолиз - это анаэробный процесс, игравший ведущую роль в энергетическом обеспечении клеток до аккумуляции опр. кол. кислорода.

Процесс гликолиза условно можно  разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2 молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ.

Полное уравнение  гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД•Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

Это уравнению можно разбить на 2:

 1) глюкоза = 2 лактат + 2Н+, dG1= -47,0 ккал/моль («-» т.к. выделяется);

2)  2 АДФ + 2 Фн = 2АТФ + 2 Н2О, dG2 = +2 +7,3=+14,6 ккал/моль (т.к. требует затрат Е). Эти процессы сопряжены. Превращение 1 моль глюкозы в лактат в станд. усл. приводит к высвобождению гораздо большего кол-ва св. Е (47,0 ккал), чем необх. для обр. АТФ из АДФ (14,6 ккал).

Определим общее изменение станд. свободной Е: dGs= dG1 + dG2 = -47 +14.6 = -32.4 ккал/моль. => суммарная р-ция гликолиза сопровождается очень большим снижением свободной Е.

При гликолизе лактат содержит 93% той Е, которая была заключена в исходной м-ле глюкозы. Благодаря гликолизу организм чела и животных в определен. период может осуществлять ряд физиолог. функций в условиях недостаточности кислорода.

КПД = 40% (36%), 80 кДж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27. ТД характеристика окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса. Расчёт КПД.

ЦК (8 cтад.)– компонент общего пути катаболизма, в котором происходит окисление топливных молекул углеводов, жирных кислот и аминокислот.  Суммарная величина                      dG = -40 кДж/моль. Ц.кребса и дых.цепь завершает расщепление метаболитов до конечных продуктов СО2 и Н2О; Функции: энерг.; водор.-донор.; амфиболитич. и интегр.;

ПВК (образовался при гидролитическом  расщеплении углеводов (глюкозы), глицерола, гликогенных АМ:серин, глицин,цистеин, пролин и лактата) окисляется до ацетил – СоА и СО2 при участии ферментов (они наз-ся пируватдегидрогеназный комплекс 3 ф. и 5 кф). Происходит окислительное декарбоксилирование ПВК. dG0 = -8 ккал/моль («-» т.к. выделяется).

Если в пpоцессе гликолиза пpи pаспаде 1 моля глюкозы высвобождается 50 ккал, или 208 кДж свободной энеpгии, то пpи окислительном pаспаде 1 моля глюкозы в ЦТК – около 689 ккал, или 2883 кДж свободной энеpгии. 

СН3COSK0A + АДФ + ФН+2 Н2О = 2СО2+АТФ+3 Н.+1Ф.

При расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С6Н12О6 + 6О2—> 6СО2 + 6Н2О синтезируется 38 молекул АТФ. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28. ТД полного окисления глюкозы. Расчёт эффективности (КПД) биологического окисления глюкозы. Глюкоза расщепляется на 2 молекулы ПВК. Если гликолиз идёт в мышцах, то получается молочная кислота. Осуществление процесса на внешних мембранах митохондрий при участии ферментов. Итог: 2 м-лы АТФ, 2 ПВК (дальнейшая судьба ПВК зависит от условий: если О2 нет -  брожение), 2 НАД•Н + Н+ (источник протонов, накапливаются в перемитохондриальном пространстве), 80кДж накапливается (идет на синтез АТФ), остальная энергия рассеивается в виде тепла; 3) кислородный — (клеточное дыхание) дальнейшее превращение ПВК в условиях О2 происходит в митохондриях.  Суть: полное окисление глюкозы до СО2 и Н2О.

 Стадии: 1)  окислительное  декарбоксилирование ПВК; 2) цикл Кребса = цикл трикарбоновых кислот . Итог 1 и 2: на 1 молекулу ПВК –  3 СО2 (в атмосферу), 4  НАД•Н + Н+, 1 ФАД•Н + Н+, 2 АТФ; 3) электрон-транспортная цепь. Условие – мембраны митохондрий не должны быть повреждены. Проходит на мембранах крист. Итог: запасается 55% энергии и 45 % рассеивается в виде тепла.  34 АТФ.

Суммарное уравнение  всего энергетического обмена:

С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 38АДФ + 38Н3РО4 > 6СО2 + 12Н2О + 38АТФ.

При окислении глюкозы  до СО2 и Н2О высвобождается больше Е, чем при гликолизе. При гликолизе: глюкоза = 2 лактат- + 2Н+, dG0 (свободная энергия) = -47,0 ккал/моль («-» т.к. выделяется). При полном окислении: глюкоза + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О, dG0= -686 ккал/моль. При гликолизе лактат содержит 93% той Е, которая была заключена в исходной м-ле глюкозы.

Вся био доступная Е высвобождается из глюкозы лишь в том случае, если все водородные атомы, связанные с углеродом, будут удалены  и заменены кислородом с обр-нием СО2.

    

 

 

 

В.29Этапы унификации энергетических субстратов в процессе катаболизма

Если процесс  катаболизма рассматривать с  общей точки зрения, то можно выделить три основные его части:

• Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты.
• Специфические пути катаболизма. Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил - СоА. Причем ацетил - СоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования. Могут также образоваться другие соединения, непосредственно включающиеся в цитратный цикл.
• Цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов - СО2 и Н2О.

Следовательно, начиная со стадии образования пирувата происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется всего два - пируват и ацетил - СоА. Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и в свою очередь включает:

• окислительное декарбоксилирование пирувата
• цитратный цикл.

Именно в  общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций  дегидрирования. Совместно с дыхательной  цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТР.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

 Реакция  катализируется тремя ферментами, работающими в определенной последовательности  и объединенными в пируватдегидрогеназный комплекс:

Этот комплекс ферментов работает подобно конвейеру, в котором продукт передается от фермента к ферменту. Такой принцип  повышает эффективность работы ферментов, так как снижает случайность  в контакте реагирующих веществ  с ферментом. Далее приводятся названия ферментов и характеристика катализируемых реакций.

Пируватдекарбоксилаза (1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминдифосфат - производное витамина В1. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО2, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте - коферменту второго фермента. Получается ацетил-липоат.

Дигидролипоат-ацетилтрансфераза(2) - второй фермент комплекса. Катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS-СоА с образованием ацетил-СоА. Таким образом, в этой реакции участвуют два кофермента: липоевая кислота, прочно соединенная с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Водород остается связанным с липоевой кислотой, которая превращается в дигидролипоат.

Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (3) отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD+. Далее водород транспортируется дыхательной цепью

Главные продукты реакции - это NADH+H+ и ацетил-СоА. NADH+H+ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил-СоА окисляется в цитратном цикле. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.

Цитратный цикл Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) - это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента, имеющего различное происхождение. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

• полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2;
• образование трех молекул восстановленного NAD+ и одной молекулы FADH2;
• образование одной молекулы GTP в результате субстратного фосфорилирования.

 

Сопряжение общих путей катаболизма  с дыхательной цепью 

В общих путях  катаболизма происходит пять реакций  дегидрирования: одна на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата и четыре в цитратном цикле. Все 10 атомов водорода переносятся на коферменты дегидрогеназ, которые в свою очередь окисляются в дыхательной цепи. Окисленные коферменты возвращаются в реакции общих путей катаболизма. Регенерация коферментов - это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования. Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь непрерывно связаны между собой и отдельно функционировать не могут.

Энергетика цитратного цикла и  общих путей катаболизма 

За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул  АТР. Девять из них образуются за счет энергии транспорта в дыхательной  цепи трех пар водорода от трех молекул NADH + H+. Две молекулы АТР синтезируются  при окислении 1 молекулы FADH2, так  как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения с окислительным фосфорилированием ADP. Кроме того, в цитратном цикле происходит одна реакция субстратного фосфорилирования, дающая 1 моль GTP (АТР). В общих путях катаболизма синтезируется 15 молекул АТР. Три из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 - в цитратном цикле.

 

Полное окисление молекул пальмит. кисл. Даёт 106 молек. АтФ. КПД в-окисления жирных кислот равен 33 %. Теоретически при полном окислении 256 г пальм. Обр. 45 кг АТФ. Разумеется, такого количества АТФ никогда не бывает из-за постоянного расходывания АТФ на энерг.нужды организма.