Биохимия. Енергиен метаболизъм и общият път на катаболизма Общи и специфични метаболитни пътища

Метаболизъм и неговите функции Метаболизмът включва два неразделни процеса: анаболизъм и катаболизъм. Той изпълнява три специализирани функции: енергийна - снабдяване на клетката с химична енергия, пластична - синтез на макромолекули като градивни елементи, специфична - синтез и разграждане на биомолекули, необходими за изпълнение на специфични клетъчни функции.

Анаболизъм Анаболизмът е биосинтезата на протеини, полизахариди, липиди, нуклеинови киселини и други макромолекули от малки прекурсорни молекули. Тъй като анаболизмът е придружен от усложнение на структурата, той изисква енергиен разход. Източникът на такава енергия е енергията на АТФ.

Живот Енергия Субстанция Поддържане на сложността Растеж и възпроизводство Метаболизъм - всички химични реакции в тялото Енергиен метаболизъм Катаболизъм - реакции на разделяне на макромолекулите на прости Метаболизъм = Анаболизъм - реакции на синтез на макромолекули от прости Пластичен обмен на АТФ

NADP - NADPH - цикъл NADP - NADPH - цикъл За биосинтезата на някои вещества (мастни киселини, холестерол) са необходими богати на енергия водородни атоми - техен източник е NADPH. NADPH молекулите се образуват в реакциите на окисление на глюкозо-6-фосфат в пентозния път и оксалоацетат от ябълчния ензим. При реакции на анаболизъм NADPH дарява своите водородни атоми за синтетични реакции и се окислява до NADP. Така се образува цикълът NADP-NADPH.

Катаболизъм Катаболизмът е разграждането и окисляването на сложни органични молекули до по-прости крайни продукти. Съпровожда се от освобождаване на енергия, съдържаща се в сложната структура на веществата. По-голямата част от освободената енергия се разсейва като топлина. По-малка част от тази енергия се "прихваща" от коензимите на окислителните реакции NAD и FAD, част се използва незабавно за синтеза на АТФ.

Използване на водородните атоми Водородните атоми, освободени при окислителните реакции на веществата, могат да се използват от клетката само в две посоки: за анаболни реакции в състава на NADPH. върху образуването на АТФ в митохондриите по време на окислението на NADH и FADH 2.

етапи на катаболизъм. Първи етап. Целият катаболизъм е условно разделен на три етапа: Етап I Настъпва в червата (смилане на храната) или в лизозомите по време на разграждането на молекулите. В този случай се освобождава около 1% от енергията, съдържаща се в молекулата. Разсейва се като топлина.

Втори етап Етап II Веществата, образувани по време на вътреклетъчна хидролиза или проникващи в клетката от кръвта, обикновено се превръщат във втория етап в пирогроздена киселина, ацетилова група (като част от ацетил-S-CoA) и някои други малки органични молекули. Локализацията на втория етап е цитозолът и митохондриите. Част от енергията се разсейва под формата на топлина и приблизително 13% от енергията на веществото се асимилира, т.е. се съхранява под формата на макроергични връзки на АТФ.

Трети етап Етап III Всички реакции от този етап протичат в митохондриите. Ацетил-S CoA се включва в реакциите на цикъла на трикарбоксилната киселина и се окислява до въглероден диоксид. Освободените водородни атоми се свързват с NAD и FAD и ги възстановяват. След това NADH и FADH 2 пренасят водород към веригата от дихателни ензими, разположени върху вътрешната мембрана на митохондриите. Тук процес, наречен "окислително фосфорилиране", произвежда вода и основния продукт на биологичното окисление, АТФ. Част от енергията на молекулата, освободена на този етап, се разсейва под формата на топлина и около 46% от енергията на изходното вещество се асимилира, т.е. се съхранява във връзките на АТФ и GTP.

Ролята на АТФ Енергията, освободена в реакциите на катаболизма, се съхранява под формата на връзки, наречени макроергични. Основната и универсална молекула, която съхранява енергия и, ако е необходимо, я отдава, е АТФ. Всички ATP молекули в клетката непрекъснато участват във всякакви реакции, постоянно се разграждат до ADP и се регенерират отново. Има три основни начина за използване на АТФ: биосинтеза на вещества, транспорт на вещества през мембрани, промяна във формата на клетката и нейното движение. Тези процеси, заедно с процеса на образуване на АТФ, се наричат ​​АТФ цикъл:

Начини за получаване на енергия в клетката В клетката има четири основни процеса, които осигуряват освобождаването на енергия от химичните връзки по време на окисляването на веществата и нейното съхранение: 1. Гликолиза (етап 2 на биологично окисление) - окисление на молекула глюкоза до две молекули пирогроздена киселина, с образуването на 2 ATP молекули и NADH. Освен това пирогроздената киселина се превръща в ацетил-S-CoA при аеробни условия и в млечна киселина при анаеробни условия. 2. β - Окисляване на мастни киселини (етап 2 на биологично окисление) - окисление на мастни киселини до ацетил-S CoA, тук се образуват молекули NADH и FADH 2. Молекулите на АТФ "в чист вид" не се появяват.

Методи за получаване на енергия в клетката 3. Цикъл на трикарбоксилната киселина (TCA, 3-ти етап на биологично окисление) - окисление на ацетиловата група (като част от ацетил-S CoA) или други кето киселини до въглероден диоксид. Реакциите на пълен цикъл са придружени от образуването на 1 GTP молекула (което е еквивалентно на един ATP), 3 NADH молекули и 1 FADH молекула Окислително фосфорилиране (етап 3 на биологичното окисление) - NADH и FADH 2 се окисляват, получени в реакциите на катаболизъм на глюкоза, аминокиселини и мастни киселини. В същото време ензимите на вътрешната мембрана на митохондриите осигуряват образуването на основното количество клетъчен АТФ.

Два начина за синтез на АТФ Основният начин за производство на АТФ в клетката е окислителното фосфорилиране. Съществува обаче и друг начин за фосфорилиране на ADP до ATP - субстратно фосфорилиране. Този метод е свързан с прехвърлянето на макроергичен фосфат или енергия на макроергична връзка на всяко вещество (субстрат) към ADP. Тези вещества включват метаболити на гликолизата (1,3-дифосфоглицеринова киселина, фосфоенолпируват), цикъла на трикарбоксилната киселина (сукцинил-S CoA) и креатин фосфат. Енергията на хидролиза на тяхната макроергична връзка е по-висока от 7,3 kcal/mol в АТФ и ролята на тези вещества се свежда до използването на тази енергия за фосфорилиране на молекулата на АДФ до АТФ.

PVA Пирувинова киселина (PVA, пируват) е продукт на окислението на глюкоза и някои аминокиселини. Съдбата му е различна в зависимост от наличието на кислород в клетката. При анаеробни условия се редуцира до млечна киселина. При аеробни условия пируватният симпорт с Н+ йони, движещи се по протонния градиент, прониква в митохондриите. Тук се превръща в оцетна киселина, чийто носител е коензим А.

Глюкоза 2 PVA Клетъчна гликолиза 9 реакции (пируват) гликолиза 2 ATP 2 NAD H Волошин biologii.net

Окисляване на пирогроздена киселина Трансформацията се състои от пет последователни реакции и се осъществява от мултиензимен комплекс, прикрепен към вътрешната митохондриална мембрана от страната на матрицата. Комплексът съдържа 3 ензима и 5 коензима: Пируват дехидрогеназа (E 1, PVA - дехидрогеназа), неговият коензим е тиамин дифосфат (TDF), катализира 1-вата реакция. Дихидролипоат - ацетилтрансфераза (Е 2), нейният коензим е липоева киселина, катализира 2-ра и 3-та реакция. Дихидролипоат - дехидрогеназа (Е 3), коензим - FAD, катализира 4-та и 5-та реакция. Освен посочените коензими, които са силно свързани със съответните ензими, в работата на комплекса участват коензим А и НАД.

Регулиране на комплекса пируват дехидрогеназа Регулираният ензим на комплекса PVA-дехидрогеназа е първият ензим, пируват дехидрогеназата (Е 1). Два спомагателни ензима, киназа и фосфатаза, регулират активността на пируват дехидрогеназата чрез нейното фосфорилиране и дефосфорилиране. Самата киназа се активира с излишък от крайния продукт на биологичното окисление на АТФ и продуктите на ензимния комплекс - NADH и ацетил-S-CoA. Активната киназа фосфорилира пируват дехидрогеназата, инактивирайки я, в резултат на което първата реакция на процеса спира. Ензимът фосфатаза, активиран от калциеви йони или инсулин, отцепва фосфата и активира пируват дехидрогеназата.

Ханс Адолф Кребс През 1937 г., докато изучава междинните етапи на метаболизма на въглехидратите, Кребс прави голямо откритие в биохимията. Той описва цикъла на лимонената киселина или цикъла на трикарбоксилната киселина, който сега се нарича цикъл на Кребс. Нобелова награда за физиология или медицина - 1953 г

Цикълът на трикарбоксилната киселина Ацетил-S CoA, образуван в реакцията на PVC-дехидрогеназа, след това влиза в цикъла на трикарбоксилната киселина (CTC, цикъл на лимонената киселина, цикъл на Кребс). В допълнение към пирувата в цикъла участват кето киселини, идващи от катаболизма на аминокиселини или други вещества. Цикълът протича в митохондриалната матрица и се състои от осем последователни реакции: свързване на ацетил-CoA и оксалоацетат (оксалооцетна киселина) с образуването на лимонена киселина, изомеризация на лимонена киселина и последващи реакции на окисление със съпътстващо освобождаване на CO2 След осем реакции от цикъла отново се образува оксалоацетат.

Основната роля на CTC Основната роля на CTC е 1) генерирането на водородни атоми за работата на дихателната верига, а именно три молекули NADH и една молекула FADH 2. 2) В допълнение, една молекула ATP, сукцинил- S CoA, участва в синтеза на хем, кето киселини, които са аналози на аминокиселините - α-кетоглутарат за глутаминова киселина, оксалоацетат за аспарагинова киселина.

Регулаторни ензими на TCA Някои TCA ензими са метаболити, чувствителни към алостерична регулация: TCA ензими Инхибитори Активатори Цитратна синтаза ATP, цитрат, NADH, ацил-S-CoA

Окислително фосфорилиране Молекулите NADH и FADH 2, образувани при окисляването на въглехидрати, мастни киселини, алкохоли и аминокиселини, след това навлизат в митохондриите, където протича процесът на окислително фосфорилиране. Окислителното фосфорилиране е многоетапен процес, който протича във вътрешната мембрана на митохондриите и се състои в окисляване на редуцирани еквиваленти (NADH и FADH 2) от ензими на дихателната верига и е придружен от синтез на АТФ.

Механизмът на окислителното фосфорилиране Според съвременните концепции вътрешната митохондриална мембрана съдържа редица мултиензимни комплекси, включително много ензими. Тези ензими се наричат ​​респираторни ензими, а последователността на тяхното разположение в мембраната се нарича дихателна верига (англ. electron transport chain).

Принцип на действие на дихателната верига Най-общо работата на дихателната верига е както следва: 1) NADH и FADH 2, образувани в реакции на катаболизъм, пренасят водородни атоми (т.е. водородни протони и електрони) към ензимите на дихателната верига. 2) Електроните се движат през ензимите на дихателната верига и губят енергия. 3) Тази енергия се използва за изпомпване на H + протони от матрицата в междумембранното пространство. 4) В края на дихателната верига електроните удрят кислорода и го редуцират до вода. 5) H + протоните се стремят обратно към матрицата и преминават през ATP - синтаза. 6) В същото време те губят енергия, която се използва за синтеза на АТФ. По този начин редуцираните форми на NAD и FAD се окисляват от ензими на дихателната верига, поради което към ADP се добавя фосфат, т.е. фосфорилиране. Следователно целият процес се нарича окислително фосфорилиране.

Дихателната верига включва много протеини - преносители. Общо електронтранспортната верига включва около 40 различни протеина, които са организирани в 4 големи мембранно свързани мултиензимни комплекса. Има и друг комплекс, участващ не в преноса на електрони, а в синтеза на АТФ.

Първи комплекс. Първи комплекс. 1 комплекс - NADH - Co Q- оксидоредуктаза Този комплекс има и работното наименование NADH - дехидрогеназа, съдържа FMN, 22 протеинови молекули, от които 5 желязо-сярни протеини с общо молекулно тегло до 900 kDa. Функция Приема електрони от NADH и ги дарява на коензим Q (убихинон). Пренася 4 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

Вторият комплекс 2 комплекс - FAD - зависими дехидрогенази Този комплекс като такъв не съществува, разпределението му е условно. Той включва FAD - зависими ензими, разположени върху вътрешната мембрана - например ацил-S CoA - дехидрогеназа (окисление на мастни киселини), сукцинат дехидрогеназа (цикъл на трикарбоксилната киселина), митохондриална глицерол -3-фосфат - дехидрогеназа (совалков механизъм за пренос на NADH в митохондриите). Функция Възстановяване на FAD в редокс реакции. Осигуряване на пренос на електрони от FADH 2 към желязо-сярни протеини на вътрешната мембрана на митохондриите. След това тези електрони отиват към коензим Q.

Третият комплекс 3 комплекс - Ko Q - цитохром с - оксидоредуктаза Този комплекс включва цитохроми b и c 1. В допълнение към цитохромите, той съдържа 2 желязо - сяра протеини. Общо има 11 полипептидни вериги с общо молекулно тегло около 250 kDa. Функция Приема електрони от коензим Q и ги дарява на цитохром c. Пренася 2 H+ йони към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

Четвърти комплекс 4 комплекс. - Цитохром с - кислород - оксидоредуктаза Този комплекс съдържа цитохроми а и а 3, нарича се още цитохром оксидаза, съдържа общо 6 полипептидни вериги. Комплексът съдържа и 2 медни йона. Функция Приема електрони от цитохром с и ги прехвърля на кислород, за да образува вода. Пренася 4 Н+ йона към външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана.

Петият комплекс 5 комплекс е ензимът ATP - синтаза, състоящ се от много протеинови вериги, разделени на две големи групи: едната група образува субединицата F o (олигомицин - чувствителна) - нейната функция е каналообразуваща, по протежение на нея водородните протони се изпомпват навън втурвам се в матрицата. другата група образува субединицата F 1 - нейната каталитична функция, тя е тази, която, използвайки енергията на протоните, синтезира АТФ. Опростено, смята се, че за синтеза на 1 ATP молекула е необходимо преминаването на приблизително 3 H + протона. Механизъм на окислителното фосфорилиране Въз основа на структурата и функциите на компонентите на дихателната верига е предложен механизмът на окислителното фосфорилиране: редокс потенциал). Това осигурява еднопосочното движение на електроните. 2) Всички водородни атоми, отцепени от субстрати от дехидрогенази при аеробни условия, достигат до вътрешната мембрана на митохондриите като част от NADH или FADH 2.

3) На вътрешната мембрана на митохондриите водородните атоми (от NADH и FADH 2) прехвърлят своите електрони към дихателната ензимна верига, по която електроните се движат (pcs / sec) до крайния си акцептор - кислород. Резултатът е вода. 4) Електроните, влизащи в дихателната верига, са богати на свободна енергия. Докато се движат по веригата, те губят енергия. Част от енергията на електроните се използва от I, III, IV комплекси на респираторни ензими за преместване на водородни йони през мембраната в междумембранното пространство. Останалото се разсейва като топлина. Механизъм на окислително фосфорилиране (продължение) Места на свързване 5) Преносът на водородни йони през мембраната (изпомпване) не се извършва произволно, а в строго определени участъци от мембраната. Тези места се наричат ​​места на конюгация (или точки на фосфорилиране). Името "места на свързване" възниква от факта, че появата на протонен градиент в резултат на окислителни процеси осигурява по-нататъшното фосфорилиране на ADP до ATP. Местата на сдвояване са представени от I, III, IV комплекси на респираторни ензими. В резултат на работата на тези комплекси се образува градиент на водородни йони между вътрешната и външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана. Такъв градиент има потенциална енергия. Градиентът (Δμ, "delta mu") се нарича електрохимичен градиент или протонен градиент. Има два компонента - електрически (ΔΨ, "делта psi") и концентрационен (ΔрН): Δμ = ΔΨ + ΔрН

Производство на АТФ 6. Като завършване на всички предишни събития и техния необходим резултат, възниква производството на АТФ: Н + йони губят енергията си, преминавайки през АТФ - синтаза (Н + - транспортиращ АТФ - аза). Част от тази енергия се изразходва за синтеза на АТФ. Другата част се разсейва като топлина:

Клетъчното дишане може да бъде повлияно В една клетка често може да се създаде ситуация, когато реакциите на окислително фосфорилиране протичат с определени вариации. Тези вариации може да са резултат от смущения в тялото или физиологичен отговор на излагане.

Хипоенергийни състояния Хипоенергийните състояния могат да бъдат причинени от: екзогенна и/или ендогенна хиповитаминоза - намалява скоростта и ефективността на окислителните реакции. Обикновено възниква при липса на витамини - B 1, B 2, никотинова киселина, B 6, пантотенова киселина и аскорбинова киселина, дефицит на протеини в храната - синтезът на всички ензими и в частност на катаболните ензими намалява, намаляване на консумацията на въглехидрати и липиди като основни източници на енергия, дефицит на кислород - липсата на акцептор за електрони причинява "преливане" на респираторни ензими, увеличаване на електрохимичния градиент, натрупване на NADH и FADH 2 в клетката и спиране на катаболизма , дефицит на желязо - компонент на цитохромите, миоглобина и хемоглобина, и мед - компонент на цитохромоксидазата.

Разединители на окисление и фосфорилиране Разединителите включват предимно "протонофори" - вещества, които пренасят водородни йони. В този случай и двата компонента на електрохимичния градиент, електрически и химичен, едновременно намаляват и енергията на градиента се разсейва под формата на топлина. Последица от ефекта на протонофорите е повишаване на катаболизма на мазнини и въглехидрати в клетката и в цялото тяло. Класическият протонофор е динитрофенол, мастноразтворимо съединение, което свързва водородните йони върху външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана и ги отдава на вътрешната повърхност. Протеинът термогенин е физиологичен протонофор. В допълнение към динитрофенола и термогенина, протонофори, например, са салицилати, мастни киселини и трийодтиронин.

Ензимни инхибитори на дихателната верига Редица вещества могат да инхибират ензимите на дихателната верига и да блокират движението на електрони от NADH и FADH 2 към кислорода. Те се наричат ​​инхибитори. В резултат на това движението на електроните, изпомпването на H + йони и работата на ATP - синтазата спират. Синтезът на АТФ отсъства и клетката умира. Има три основни групи инхибитори: тези, действащи върху комплекс I, например амитал (производно на барбитуровата киселина), ротенон, прогестерон, действащ върху комплекс III, например експерименталният антибиотик антимицин А, действащ върху комплекс IV, за например, сероводород (H 2 S), въглероден оксид (CO), цианиди (-CN).

Съдържанието на статията

БИОХИМИЯ,наука, която описва на езика на химията структурата и функциите на живите организми. Биохимичните концепции се използват в медицината, хранително-вкусовата, фармацевтичната и микробиологичната промишленост, селското стопанство, както и в преработвателната промишленост, използваща селскостопански отпадъци и странични продукти.

Области на изследване.

Има няколко етапа и направления в развитието на биохимията.

Видове органични съединения и тяхната структура.

От основно значение беше съставянето на списък на органичните съединения, открити в живите организми, и установяването на структурата на всяко от тях. Този списък включва сравнително прости съединения - аминокиселини, захари и мастни киселини, след това по-сложни - пигменти (даващи цвят, например на цветя), витамини и коензими (непротеинови компоненти на ензимите) и завършва с гигантски молекули на протеини и нуклеинови киселини.

метаболитни пътища.

Очевидно най-значимите постижения в биохимията са свързани с изясняването на пътищата за биосинтеза на природни съединения от по-прости вещества, т.е. от хранителни компоненти в животните и от въглероден диоксид и минерали (по време на фотосинтезата) в растенията. Биохимиците успяха да проучат подробно основните метаболитни пътища, които осигуряват синтеза и разграждането на естествени съединения в животни, растения и микроорганизми (по-специално бактерии).

Строеж и функции на макромолекулите.

Третата област на биохимията е свързана с анализа на връзката между структурата и функцията на биологичните макромолекули. И така, биохимиците се опитват да разберат какви характеристики на структурата на протеиновите катализатори са в основата на тяхната специфика, т.е. способност за ускоряване на строго определени реакции; как сложните полизахариди, които изграждат клетъчните стени и мембрани, изпълняват своите функции; как сложните липиди, присъстващи в нервната тъкан, участват във функционирането на нервните клетки - неврони.

Функционирането на клетките.

Друг проблем, с който се занимават биохимиците, е откриването на механизмите на функциониране на специализираните клетки. Например се изследват следните въпроси: как се свиват мускулните клетки, как определени клетки образуват костна тъкан, как еритроцитите пренасят кислород от белите дробове до тъканите и поемат въглероден диоксид от тъканите, какъв е механизмът на синтеза на пигменти в растителните клетки и т.н. .

Генетични аспекти.

Изследванията, започнали през 40-те години на миналия век върху гъбичките и бактериите, а след това и върху висшите организми, включително хората, показват, че обикновено в резултат на генна мутация някои биохимични реакции престават да протичат в клетките. Тези наблюдения доведоха до създаването на концепцията за ген като информационна единица, отговорна за синтеза на специфичен протеин. Ако протеинът е ензим и генът, който го кодира, е претърпял мутация (т.е. се е променил), тогава клетката губи способността си да извърши реакцията, която този ензим трябва да катализира.

Генът е специфичен сегмент от молекула на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), който е способен да се репликира (самовъзпроизвежда) и е отговорен за синтеза на специфичен протеин. Много биохимични изследвания са насочени към изясняване на детайлите на репликацията на нуклеинова киселина и механизма на синтеза на протеини и следователно са тясно свързани с генетиката. Полето на изследване, което се намира както в биохимията, така и в генетиката, обикновено се нарича молекулярна биология.

Проект за човешкия геном

е грандиозен международен проект в областта на молекулярната биология и генетика, в който участват екипи от учени от много страни. Целта на проекта е да се изградят генетични карти на 23 човешки хромозоми с точна индикация за позицията на всичките десетки хиляди гени върху тези хромозоми и в крайна сметка да се определи структурата на хромозомите, т.е. последователността от около 3 милиарда двойки азотни бази, които изграждат хромозомната ДНК. Тези изследвания ще направят възможно създаването на база данни, достъпна за всички учени, която е от голяма стойност за изучаването на човешката генетика и, най-важното, ще помогне на биохимиците да разкрият механизмите на наследствените заболявания.

Медицинска биохимия.

Всяка година все повече заболявания могат да бъдат свързани с определени метаболитни нарушения. Съвместните усилия на биохимици и лекари направиха възможно разгадаването на естеството на нарушенията в основата на заболявания като захарен диабет и сърповидноклетъчна анемия. В повече от 800 случая е установена връзка между метаболитни нарушения и генетични дефекти, в някои случаи са открити начини, които могат да смекчат последствията от заболяването.

4.1 Биохимични пътища на окисление на глюкозата..doc

ДЪХ
Тази глава обсъжда процеса на аеробно дишане, при който свободната енергия, освободена по време на окисляването на въглехидратите, се превръща в енергия, съхранявана в молекулите на АТФ, както и механизмите, които позволяват на растението да контролира енергийния статус на клетката. Особено внимание се обръща на характеристиките на растенията, свързани с наличието на алтернативни пътища в респираторния метаболизъм. Освен това се обсъждат въпроси, свързани с генерирането на реактивни кислородни видове от клетката.

В процеса на фотосинтеза растенията синтезират въглехидрати, които се транспортират от листата до други органи. На светло и на тъмно растителните клетки "дишат", окислявайки въглехидратите с молекулярен кислород, за да образуват CO 2 и вода. В този случай се освобождава голямо количество свободна енергия:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 \u003d 6CO 2 + 6H 2 O + енергия;
∆Ж = -2882 kJ/mol (-686 kcal/mol)

Тази формула в общи линии отразява изключително сложен и най-важното контролируем процес, който условно може да бъде разделен на три етапа: гликолиза, цикъл на трикарбоксилната киселинаи окислително фосфорилиране в дихателната верига(фиг. 4.1).

Гликолизата и цикълът на трикарбоксилната киселина са биохимични пътища на окисление на глюкозата, протичащи съответно в цитозола и митохондриалната матрица. При биохимичните реакции се синтезира малко количество АТФ, като основният им резултат е образуването на съединения с висок редукционен потенциал - NADH и FADH 2. На последния етап редуциращите еквиваленти се окисляват в електронтранспортната верига, локализирана във вътрешната митохондриална мембрана. Преносът на електрони във веригата завършва с редукция на кислорода до вода. В процеса на електронен транспорт върху мембраната се образува електрохимичен протонен градиент Δ
, чиято енергия се използва за синтеза на АТФ от АДФ и F n. Процесът, при който работата на дихателната верига е свързана със синтеза на АТФ, се нарича окислително фосфорилиране.Именно в този процес се синтезира по-голямата част от АТФ, произведен по време на дишането.

И при растенията, и при животните дишането има три основни функции. Първо, енергията, освободена при окислението на въглехидратите, се превръща в конвертируеми форми на клетъчна енергия - Δ и АТФ. Втората, не по-малко важна функция е снабдяването на клетките с метаболити, които се образуват по време на окисляването на глюкозата и се използват в различни биосинтези. Третата функция е свързана с термогенезата, т.е. разсейването на енергия под формата на топлина. Процесът на дишане е фундаментално подобен при животните и растенията, но последният има свои собствени характеристики. Заедно те отразяват пластичността на растителния метаболизъм и са свързани с функционирането на, наред с основните, алтернативни ензими и реакции. Наличието на алтернативни пътища разширява адаптивните възможности на растенията, но усложнява (от гледна точка на изследователя) системата за регулиране на метаболитните процеси.

Ориз. 4.1. Основните етапи на дишането.

Окислението на глюкозата по време на гликолизата е придружено от редукция на две NAD + молекули, синтез на две ATP молекули и завършва с образуването на две пируватни молекули. В митохондриите пируватът претърпява пълно окисление до CO2 в реакции, катализирани от комплекса пируват дехидрогеназа (PDC) и ензими от цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA). При тези процеси се образуват 4NADH, 1FADH 2, както и една ATP молекула. Редуциращите еквиваленти се окисляват чрез даряване на електрони към електронната транспортна верига, разположена във вътрешната митохондриална мембрана. Електронният транспорт води до редукция на кислорода до вода и е свързан със синтеза на по-голямата част от АТФ в процеса на окислително фосфорилиране.

^ 4.1. БИОХИМИЧНИ ПЪТИЩА НА ОКИСЛЕНИЕ НА ГЛЮКОЗАТА
4.1.1. СТРУКТУРА НА МИТОХОНДРИЯТА

Основните събития, свързани с дишането, се случват в митохондриите. Митохондриите на растенията обикновено имат сферична или цилиндрична форма и техният брой може да варира значително в зависимост от метаболитната активност на клетката. две мембрани, външен и вътрешен,разделят митохондриите на две функционални отделения - междумембранно пространствои матрица(фиг. 4.2).

Ориз. 4.2. Структура на митохондриите
Специални протеини, наречени порини,образуват големи хидрофилни канали или пори във външната мембрана, през които съединения с молекулно тегло не повече от 10 kDa могат свободно да проникнат в междумембранното пространство от цитозола. Това са практически всички основни метаболити на клетката. Вътрешната мембрана образува множество гънки, кристи, които увеличават нейната повърхност. Електрон транспортната верига (ETC) и АТФ синтазата са интегрирани във вътрешната мембрана. За разлика от други клетъчни мембрани, вътрешната мембрана на митохондриите е обогатена с протеин (75 %) и съдържа специален фосфолипид (дифосфатидилглицерол) - кардиолипин. Пропуска газове, вода и малки липофилни молекули, но е непропусклива за заредени молекули и йони, което е предпоставка за функционирането й като конюгираща мембрана. В мембраната обаче има транспортни протеини, с помощта на които е възможна обмяната на метаболити между матрицата и цитозола (виж раздели 4.1.8 и 4.2.11). Матрицата, т.е. пространството, заобиколено от вътрешната мембрана, съдържа ензимите от цикъла на трикарбоксилната киселина.
^ 4.1.2. ГЛЮКОЗАТА Е ОСНОВНИЯТ СУБСТРАТ НА ДИШАНЕТО ПРИ РАСТЕНИЯТА

Основният субстрат за дишане в растенията е глюкозата и нейните производни, въпреки че в специални случаи дишането може да се поддържа от протеини и мазнини, съхранявани в семената. Глюкозата се образува в растителните клетки по време на хидролизата на нишестето и захарозата, продуктите на фотосинтезата. Нишестето е смес от два полизахарида – амилоза и амилопектин. Амилозните молекули са дълги, неразклонени вериги от α-D-глюкопиранозни остатъци, свързани с гликозидни α(1→4) връзки. Амилопектиновите молекули също са представени от вериги от α-D-глюкопиранозни остатъци, които образуват a(1→6) връзка в точката на разклонение. Нишестето като резервен полизахарид се натрупва в хлоропластите и пластидите на хетеротрофните тъкани. Някои растения - блато-намбур (Хелиантус tuberosus), далия (Далия sp.) инулинът и хемицелулозата могат да се използват като запасни въглехидрати. Захарозата е дизахарид, образуван от остатъци от глюкоза и фруктоза. Синтезира се в цитозола и се транспортира от фотосинтетичните клетки през листния апопласт и флоемните съдове до други органи на растението.

Нишестето се разгражда до монозахариди с участието на редица ензими (α- и β-амилаза, α-1,6-глюкозидаза, нишестена фосфорилаза и др.) с образуването на D-глюкоза или D-глюкоза-1- фосфат. Разграждането на захарозата може да се случи, когато реакциите на нейния синтез са обърнати, но главно се случва в резултат на хидролиза с участието на ензима инвертази:

Захароза + H 2 O → фруктоза + глюкоза

В генома на растения като домат (Ликоперсикон ескулентум), царевица (Зеа майс), Arabidopsis (Arabidopsis талиана), морков (Данкус карота), откри цяло семейство ядрени гени, кодиращи различни изоформи на инвертазата. Например в морковите киселинните инвертази (оптимално pH 4,5–5,0) присъстват в пет различни изоформи във вакуолата и клетъчната стена. В цитозола има неутрална инвертаза (оптимално рН 7,0-8,0), която също може да има няколко изоформи. По този начин в растенията хидролизата на захарозата може да се случи в различни клетъчни отделения и се контролира по сложен начин чрез активността на инвертази с различни свойства.
^ 4.1.3. ГЛИКОЛИЗА – ПЪРВИЯТ ЕТАП НА ДИШАНЕТО

гликолиза- това е универсална последователност от реакции, общи за всички организми, известни на науката; по време на тези реакции глюкозата последователно се окислява до пируват. Окисляването се придружава от образуването на две молекули NADH и синтеза на 2 молекули АТФ. Няма съмнение, че гликолизата е еволюционно най-ранният известен начин за получаване на енергия и единственият за много анаеробни бактерии. В аеробния метаболизъм гликолизата е включена като начален етап на окисление на глюкозата.

Реакциите на гликолиза (фиг. 4.3) протичат в цитозола и се катализират от ензими, които лесно се извличат от клетките. Първоначално богатата на енергия, но стабилна глюкозна молекула се фосфорилира от АТФ в реакцията (1), катализиран хексокиназа.Полученият глюкозо-6-фосфат се изомеризира до фруктозо-6-фосфат (2) и отново се фосфорилира до фруктозо-1,6-бифосфат с помощта на друга ATP молекула (3). Тази необратима реакция, която е ключова в регулирането на гликолизата (вижте раздел 4.1.7), има следната характеристика в растенията. Ако при животните тази реакция се катализира само от един ензим -

^ АТФ-зависима фосфофруктокиназа (3), тогава в растителните клетки на този етап действат два ензима наведнъж. В допълнение към АТФ-зависимата фосфофруктокиназа, растенията съдържат също пирофосфат-зависима фосфофруктокиназа,който катализира фосфорилирането на фруктозо-6-фосфат, използвайки пирофосфат, а не АТФ (4).

Ориз. 4.3. реакции на гликолиза.

Реакции 1- 17 катализира следните ензими: 1 - хексокиназа; 2 - фосфоглюкоизомераза; 3 - АТФ-зависима фосфофруктокиназа (АТФ: В-фруктозо-6-фосфат-1-фосфотрансфераза); 4 - FF n-зависима фосфофруктокиназа; 5 - фруктозо-1,6-бисфосфат алдолаза; 6 - триозофосфат изомераза; 7 - глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа; 8 - фосфоглицерат киназа; 9 - фосфоглицеромутаза; 10 - енолаза; 11 - пируват киназа (АТР пируват фосфотрансфераза); 12 - пируват карбоксилаза; 13, 14 - NAD-зависима малат дехидрогеназа; 15 - PEP-карбоксикиназа;

16 - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; 17 - глюкозо-6-фосфатаза;→ - необратима реакция;

↔ - обратима реакция; ∙∙∙∙∙∙ - байпас реакции по време на обръщане на гликолизата;

Фосфатна група:

Този ензим е открит за първи път в бактерии с пропионова киселина в началото на 80-те години. в листа от ананас (ананас comosus), а след това и в други растителни обекти.

Цитозолът на растителните клетки съдържа пирофосфат (PP H) в доста висока и стабилна концентрация, който в някои случаи действа като енергиен еквивалент или като донор на фосфатни групи. FF n-зависимата фосфофруктокиназа е способна да катализира реакцията на фосфорилиране на фруктозо-6-фосфат в двете посоки, като работи или за синтеза на FF H, или за неговото отстраняване. Предполага се, че FF H пулът в цитозола се контролира по този начин.

Отрицателно заредените фосфатни групи в молекулата на фруктоза-1,6-бис-фосфат улесняват нейното разграждане с участието на алдолазаза 3-фосфоглицералдехид (3-PHA) и фосфодиоксиацетон (PDA) (5). Последният лесно се изомеризира в PHA (6). Тази реакция завършва първия етап на гликолизата: когато се използват две ATP молекули, глюкозата се фосфорилира и се разделя на две половини - фосфотриози, които впоследствие претърпяват същите трансформации.

Вторият етап на гликолизата включва редокс реакции, при които се образуват NADH и ATP. Окисляването на 3-фосфоглицералдехид (7) катализира глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа.По време на това сложна реакция, която преминава през образуването на ензим-субстратен комплекс, NADH се редуцира и образува

1,3-дифосфоглицеринова киселина (1,3-FGK). Последният е високоенергийно съединение, в чиято молекула има високоенергийна фосфатна връзка. Синтезът на АТФ се осъществява чрез прехвърляне на фосфатна група от 1,3-FHA към ADP в реакция (8), катализирана от фосфоглицерат киназа.Така АТФ се синтезира в резултат на комбинираното действие на две реакции, при първата от които се образува макроергична връзка върху молекулата на окисления субстрат. Следователно този метод на синтез на АТФ се нарича субстратно фосфорилиране.В следващата реакция (9) 3-фосфоглицериновата киселина се превръща в 2-фосфоглицеринова киселина, от която с участието енолазаотделяне на водна молекула (10). В резултат на тази реакция отново се образува високоенергийно съединение, фосфоенолпируват (PEP). Второто субстратно фосфорилиране е свързано с прехвърлянето на фосфатната група от PEP към ADP, катализирано от пируват киназа (11).Полученият пируват е крайният продукт на гликолизата.

В растенията са открити ензими, с участието на които е възможно да се "заобиколят" някои реакции на гликолиза. И така, растителните клетки имат NADP-зависима глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа,катализираща реакция

3-PHA + NADP + + H 2 ^ О → 3-FHA + NADPH + 2Н +

Във вакуолите на някои растения (в Катарантус roseus, купинус албус, Brassica Нигра, Alliumсяра)открити PEP-фосфатаза,катализираща реакция

FEP + H2O
Пируват + P n

И двата алтернативни ензима се активират по време на фосфорно гладуване.

Добивът на енергия от гликолизата е малък. Ако вземем предвид, че на първия етап активирането на глюкозата е свързано с консумацията на две молекули АТФ, общият баланс може да се изрази чрез уравнението

Глюкоза + 2NAD + + 2P H + 2ADP → 2Pyruvate + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2H 2 O

При растенията гликолизата се извършва не само в цитозола, но и в пластидите. Пластидните и цитозолните изоформи са кодирани от различни ядрени гени и могат значително да се различават по своите свойства. Пластидната гликолиза, свързана с мобилизирането на нишесте, възниква в хетеротрофни и фотосинтетични тъкани. В хлоропластите обаче процесът очевидно протича само на тъмно. Смята се, че на светлина активността на пластидната изоформа

АТФ-зависимата фосфофруктокиназа се потиска поради високата концентрация на АТФ (вижте подраздел 4.1.7). Пирофосфат-зависима фосфофруктокиназа не е открита в хлоропласти и пластиди.

Предполага се, че образуваните при гликолизата пируват, АТФ и NADH се използват в синтеза на мастни киселини, който при растенията се среща в пластидите. Трябва също така да се има предвид, че пластидната гликолиза може да не завърши, тъй като съединения като PHA и PHA могат да напуснат хлоропластите и да бъдат включени в гликолизата, протичаща в цитозола.

По време на покълването на семената, ако достатъчно силна външна обвивка все още предотвратява достъпа на кислород или когато корените на растението са наводнени, гликолизата завършва чрез реакции на алкохолна или млечнокисела ферментация. В този случай образуваният преди това NADH се окислява отново по време на редукцията на пирувата, съответно до етанол или млечна киселина. Обикновено в началото с участието лактат дехидрогеназаобразува се млечна киселина:

Пируват + NADH + H
Лактат + НАД

Когато се натрупа, млечната киселина подкиселява цитозола, което е необходимо за активирането пируват декарбоксилаза,който при pH > 7,0 е в неактивна форма. С участието на този ензим етанолът се синтезира в последния етап:

Пируват ацеталдехид + CO 2;
Ацеталдехид + NADH + H + Етанол + НАД +

Етанолът, за разлика от млечната киселина, може да напусне клетките в междуклетъчните пространства, което е по-малко опасно от натрупването на лактат в цитозола. Ферментацията осигурява оцеляването на растенията за ограничено време при условия на недостатъчно снабдяване с кислород, т.е. при аноксия. Растенията могат да варират значително в тяхната толерантност към този стрес. Ако някои блатни растения оцеляват при аноксични условия в продължение на месеци, тогава разсадът от ечемик или пшеница не оцелява дори няколко часа. Трябва да се отбележи, че в развиващите се поленови зърна на царевицата (Зеа майс) и тютюн (Никотиана табакум) алкохолната ферментация протича при аеробни условия и протича заедно с дишането.
^ 4.1.4. СИНТЕЗ НА ЗАХАР ПРИ ОБРАТНА ГЛИКОЛИЗА

Реакциите на гликолиза могат да протичат в обратна посока, в резултат на което въглехидратите ще се синтезират отново от пируват. Тази обратна гликолиза се нарича глюконеогенеза:

Глюкоза
Пируват
Глюкоза
Пируват

Повечето реакции на гликолиза са близки до равновесието и са лесно обратими. Катализирани са само три реакции кинази(хексокиназа, фосфофруктокиназа и пируват киназа) са необратими. На тези места гликолизата протича в обратна посока с помощта на други ензими и реакции (виж фиг. 4.3). За обръщане на реакцията, катализирана от пируват киназа и получаване на PEP от пируват, е необходим байпасен път, включващ цитозолни и митохондриални ензими. Първо, пируватът навлиза в митохондриите, където с участието на пируват карбоксилазакарбоксилиран в енергийно зависима реакция (12) с образуването на оксалоацетат (ОАА). В митохондриите TAA се възстановява за сметка на NADH с образуването на малат (13) с участието на НАД-зависими малат дехидрогеназа.Този ензим катализира лесно обратима реакция, която върви в посока на синтеза на малат, тъй като съотношението NADH / NAD в митохондриите е високо. Освен това малатът се пренася в цитозола и се окислява повторно до TAA (14). Накрая, оксалоацетатът се превръща в PEP в енергийно зависима реакция, катализирана от

^ PEP-карбоксикиназа (15). Освен това фосфоенолпируватът лесно се превръща във фруктозо-1,6-бифосфат поради обръщането на реакциите на гликолиза. Обратни реакции (16 и 17), катализиран от хексокиназа и фосфофруктокиназа, се постига чрез действието на съответните фосфатаза.От 6С-захари, образувани в резултат на глюконеогенезата, е възможен синтез на захароза с участието на захароза фосфат синтаза. Така в метаболизма на растенията има начин за синтезиране на захари от пируват. Глюконеогенезата протича най-активно в покълналите семена на тези растения, в които мазнините са резервни съединения (виж раздел 4.1.9).
4.1.5. ОБРАЗУВАНЕ НА РЕДУКЦИОННИ ЕКВИВАЛЕНТИ, ATP И CO 2 ^ В ЦИКЪЛА НА КАРБОКСОВАТА КИСЕЛИНА

В процеса на гликолиза се освобождава само малка част от енергията, която потенциално се съдържа в такава сложна молекула като глюкозата. При аеробни условия пируватът навлиза в митохондриите, където претърпява окончателно окисление с образуването на CO2.

Първо, окислението на пирувата се катализира от комплекс пируват дехидрогеназакомплекс (MPC) (фиг. 4.4). Състои се от три ензима (пируват дехидрогеназа, дихидролипоилтрансацетилаза, дихидролипоил дехидрогеназа) и пет коензима (тиамин пирофосфат - витамин B 1, липоева киселина, NAD, FAD и коензим А).

Реакцията на окисление на пирувата включва коензим А (CoA-SH) - сложна молекула, която съдържа активна SH група. Коензим А функционира като универсален носител на ацетилови групи в различни ензимни реакции. Това съединение е способно да свързва остатъци от оцетна киселина с образуването на макроергична тиоетерна връзка в молекулата

Ацетил-КоА. Окислителното декарбоксилиране на пируват (7) от комплекса пируват дехидрогеназа е придружено от редукция на NAD до NADH, елиминиране на CO2 и образуване на ацетил-CoA. Ацетил-КоА влиза в пътя на по-нататъшни трансформации в цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA), известен също като цикъл на Кребс или цикъл на лимонена киселина. Цикълът е открит в резултат на брилянтна работа, извършена в лабораторията на английския биохимик Г. А. Кребс през 30-те години. 20-ти век върху летящите мускули на гълъб. Както се оказа по-късно, TCA е универсален път за окисляване на остатъците от оцетна киселина, който е включен като задължителен компонент в респираторния метаболизъм на аеробните организми. При животните и растенията всички ензими от цикъла са кодирани от ядрени гени, имат неоспорими прилики и с едно изключение са локализирани в митохондриалната матрица.

Ориз. 4.4. Окисление на пируват в митохондриалната матрица чрез пируват дехидрогеназа

Комплекс и цикъл на трикарбоксилни киселини.

Окислителното декарбоксилиране на пируват е придружено от освобождаване на CO2, редукция на NADH и синтез на ацетил-КоА. В реакция, катализирана от цитрат синтаза, ацетил-КоА се кондензира с оксалоацетат, за да образува цитрат. В TCA цитратът се окислява с освобождаването на две молекули CO 2, в резултат на което отново се синтезира оксалоацетат. В реакциите на TCA се образуват 3 NADH и 1 FADH 2, а също така се синтезира 1 ATP. Образуваният оксалоацетат реагира отново с ацетил-КоА, започвайки следващия завой на цикъла. Реакции 1- 9 1 - пируват дехидрогеназен комплекс; 2 - цитрат синтаза; 3 - аконитаза; 4 - НАД-зависима изоцитрат дехидрогеназа; 5 - а-кетоглутарат дехидрогеназен комплекс; b- сукцинил-КоА синтетаза; 7 - сукцинат дехидрогеназа; 8 - фумараза; 9 - NAD-зависима малат дехидрогеназа
Изомеризацията на цитрат до изоцитрат включва две реакции, свързани първо с елиминирането и след това добавянето на вода (3). И двете реакции се катализират от един и същ ензим - аконитаза.Това е последвано от две реакции на окислително декарбоксилиране, всяка от които е свързана с редукция на NAD и освобождаване на CO 2 . Първо NAD-зависим изоцитрат дехидрогеназаокислява изоцитрат (4) с образуването на α-кетоглутарат, CO 2 и NADH. Тази най-бавна реакция определя скоростта на оборот на целия цикъл. Образуваният α-кетоглутарат претърпява по-нататъшно окисление α-кетоглутарат дехидрогеназен комплекс,който по своята структура и механизъм на действие е аналогичен на МРС. В резултат на реакция (5) се образуват NADH, CO 2 и сукцинил-CoA. По-нататък сукцинил-КоА синтетазакатализира превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат (6), което е придружено от фосфорилиране на ADP поради енергията на тиоетерната връзка в молекулата на сукцинил-КоА. Това е единствената реакция от цикъла, при която ATP (растения) или GTP (животни) се синтезират поради субстратно фосфорилиране.

Сукцинатът се окислява до фумарат (7) сукцинат дехидрогеназа.Този ензим е локализиран не в матрицата, а във вътрешната мембрана на митохондриите и е един от компонентите на дихателната верига - комплекс II. По време на окислението на сукцината, електроните се прехвърлят към молекулата на FAD, която е простетичната група в комплекса. Електроните от FADH 2 отиват директно в дихателната верига. По този начин сукцинат дехидрогеназата е общ компонент на ТСА и дихателната верига (вижте раздел 4.2.3). По-нататък фумаразахидратира фумарат до образуване на малат (8). И накрая, цикълът се затваря от реакцията на окисление на малат до оксалоацетат (9) с участието на НАД-зависими малат дехидрогеназа.Това е третата реакция от цикъла, в която се генерира NADH. Въпреки че тази реакция е лесно обратима, в vivo равновесието му се измества към образуването на оксалоацетат. Преместването се получава, защото продуктите на реакцията се използват бързо: оксалоацетатът реагира отново със следващата молекула ацетил-КоА и влиза в следващия завой на цикъла, а NADH се окислява в дихателната верига. Въпреки че повечето реакции от цикъла са обратими, две от тях, катализирани от цитрат синтаза и α-кетоглутарат дехидрогеназен комплекс, са физиологично необратими и контролират посоката на цикъла.

По този начин процесът на окисление на глюкозата, започнал в цитозола, завършва в митохондриалната матрица. В резултат на действието на MPC и един оборот на CTC, молекулата на пирувата се окислява напълно с образуването на 3 молекули CO2. Окислението на пирувата се придружава от образуването на 4 молекули NADH, редукция на FAD и синтеза на една молекула ATP.

Енергийният добив по време на окислението на глюкозата обикновено се приравнява на 36 ATP молекули. Тази цифра се основава на факта, че окислението в дихателната верига на NADH, образувано в CTC, е свързано със синтеза на три ATP молекули и FADH 2 - две. NADH, образуван в цитозола, може също да се окисли верижно, за да образува две ATP молекули (вижте раздели 4.2.6 и 4.2.9). При пълно окисление на глюкозата, 2NADH се образува по време на гликолиза в цитозола, 8NADH и 2FADH 2 - в матрицата по време на окислението на две молекули пируват. С окисляването на всички редуцирани еквиваленти в дихателната верига могат да се получат общо 32 ATP. Ако вземем предвид 4 ATP молекули, образувани на нивото на фосфорилиране на субстрата (2 ATP в гликолизата и 2 ATP в TCA), общо ще бъде 36 ATP молекули. Трябва да се отбележи, че тази цифра е доста приблизителна и най-вероятно надценена. Редица данни показват, че броят на ATP молекулите, синтезирани по време на окисляването на NADH, може да бъде по-малък от три (виж раздел 4.2.7).
^ 4.1.6. ХАРАКТЕРИСТИКА НА РАСТИТЕЛНИТЕ МИТОХОНДРИИ - НАЛИЧИЕТО НА ЕНЗИМ MALIQ

Стабилната работа на CTC до голяма степен зависи от концентрацията на междинните съединения, а оттам и от процесите, свързани с тяхното отстраняване или, обратно, включването им в цикъла. Много междинни продукти на цикъла активно го напускат и се използват в различни реакции в цитозола (виж раздел 4.1.8). В тази връзка т.нар анаплеротиченреакции, които катализират взаимното преобразуване на продуктите на гликолизата и TCA и, ако е необходимо, "захранват" цикъла, попълвайки пуловете от междинни съединения.

Така, PEP карбоксилазакатализира синтеза на оксалоацетат от PEP:

FEP + NSO
OAA + F n

Както вече беше показано (виж раздел 4.1.4; Фиг. 4.3), оксалоацетатът може също да се синтезира от пируват с участието на пируват карбоксилаза:

Пируват + CO 2 + ATP
TAA + ADP + P n

Малат дехидрогеназакатализира лесно обратимото взаимно преобразуване на оксалоацетат и малат:

Малат + NAD + OAA + NADH + H

От особен интерес е функционирането в растителната клетка Малик ензим,който катализира окислителното декарбоксилиране на малат:

Малат + NAD + Пируват + CO 2 + NADH + H
В растенията ябълчният ензим присъства не само в цитозола, но и в митохондриите.

(NAD + -зависима изоформа) и хлоропласти (NADP + -зависима изоформа). Наличието на този ензим в митохондриите прави възможно получаването на пируват от малат и по този начин да се заобиколи последната реакция на гликолиза (фиг. 4.5).

Ориз. 4.5. Алтернативни пътища за образуване на пируват в растителната клетка.

Образуван при гликолиза, фосфоенолпируватът (PEP) може да се метаболизира с образуването на пируват или малат. PEP карбоксилазата катализира взаимодействието на PEP с HCO до образуване на оксалоацетат, който се превръща в малат. Малатът, подобно на пирувата, навлиза в митохондриите и може да поддържа цикъла на ТСА, превръщайки се в пируват с участието на ябълчен ензим. Реакции 1 - 7 катализира ензими: 1 - пируват киназа; 2 - PEP-карбоксилаза; 3 - малат дехидрогеназа в цитозола; 4 - малат дехидрогеназа в митохондриите; 5 - малик-ензим; 6 - пируват дехидрогеназен комплекс; 7 - цитрат синтаза
Наистина, PEP, образуван при гликолиза, е субстрат за две реакции едновременно. С участието на пируват киназата се превръща в пируват (1), и с участието на PEP-карбоксилаза - в оксалоацетат (2). Последният лесно се възстановява до малат (5). Влизайки в митохондриите, малатът или незабавно се включва в ТСА, или се окислява от маликовия ензим до пируват (5). Всъщност не е съвсем ясно как се използва този алтернативен начин за образуване на пируват от малат. в vivo в нормална физиологична ситуация. Съобщава се, че този път се активира в някои растения по време на фосфорен глад. Възможно е да се включи по време на регулаторно потискане на активността на пируват киназата (вижте подраздел 4.1.7). Въпреки това дублирането на реакциите, свързани със синтеза на пируват, отразява пластичността на метаболизма на растенията и, разбира се, разширява техните адаптивни възможности. По този начин, трансгенни тютюневи растения (Никотиана табакум), без пируват киназа оцеляват и поддържат нормален метаболизъм благодарение на този байпас.
^ 4.1.7. РАЗРУШАВАНЕТО НА ГЛЮКОЗАТА СЕ РЕГУЛИРА ОТ КЛЮЧОВИ МЕТАБОЛИТИ И Е ПОДЛЕЖНО НА КОМПЛЕКСНА СИСТЕМА ЗА КОНТРОЛ

Има няколко ключови реакции в гликолизата и ТСА, поради които целият процес на окисление на глюкозата от началото до края е контролирани.Най-важната контролна точка са реакциите на гликолиза, свързани с превръщането на фруктозо-6-фосфат в

Фруктозо-1,6-бисфосфат и обратно. Всички ензими, участващи в правата и обратната реакция, са обект на алостерична регулация (фиг. 4.6). В животинските клетки АТФ-зависимата фосфофруктокиназа се активира от ADP и се инхибира от ATP, докато в растителните клетки този ензим се активира от фосфатен йон и се инхибира от PEP. Обратната реакция, катализирана от фосфатаза, и в двата случая се активира от АТФ и цитрат и се инхибира от АДФ. Такава регулаторна система означава, че натрупването на нереализиран АТФ и фосфоенолпируват в клетката на фона на ниски нива на ADP и Pn ще доведе до потискане на активността на фосфофруктокиназата и активиране на фосфатазата, т.е. за инхибиране на скоростта на разграждане на глюкозата.

Ориз. 4.6. Регулиране на гликолизата в растенията на ниво реакция на фосфорилиране на фруктоза-6-фосфат:

Fr-6-F - фруктозо-6-фосфат; Fr-1,6-F - фруктоза-1,6-бисфосфат; Fr-2,6-F - фруктоза-2,6-бисфосфат; ATP-FFK - АТФ-зависима фосфофруктокиназа; FF H-FFK - пирофосфат-зависима фосфофруктокиназа; фосфатаза - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; - активиране;

┴ - инхибиране

Друг фактор, участващ в регулирането на тези реакции, е фруктозо-2,6-бисфосфат, регулаторна молекула във всички еукариоти. Фруктозо-2,6-бисфосфатът действа като преден активатор и инхибитор на обратната реакция, т.е. стимулира гликолизата и инхибира глюконеогенезата. При животни фруктоза-2,b-бифосфатът активира АТФ-зависимата фосфофруктокиназа и инхибира активността на фосфатазата. При растенията, за разлика от животните, фруктозо-2,6-бисфосфатът не действа върху АТФ-зависимия ензим, но ясно активира FF-n-зависимата фосфо-фруктокиназа и инхибира фосфатазата. Пластидната изоформа на АТФ-зависимата фосфофруктокиназа, подобно на цитозолната, се активира от фосфат и се потиска от PEP и ATP. Малко се знае за това как се регулира пластидната фосфатаза.

Фруктозо-2,6-бисфосфатът се образува и разгражда с участието на два ензима: фруктозо-6-фосфат 2-киназа и фруктозо-2,6-бисфосфатаза:

Активността на 2-киназата се активира от фосфатния йон и фруктозо-6-фосфата и се инхибира от тривъглеродния гликолизен продукт, PHA и FHA. По този начин синтезът на самата регулаторна молекула зависи по сложен начин от съотношението С6/С3-захар в растителната клетка. Това съотношение ще бъде повлияно от интензивността на синтеза на захароза и транспорта на Fn в хлоропласта в замяна на триозен фосфат (виж глава 3).

Вторият регулаторен ензим на гликолизата, пируват киназата, е алостерично инхибиран от TCA метаболити, цитрат и малат, и се активира от ADP и Pn.

Следващата точка на контрол в пътя на окисление на глюкозата е MPC, пример за което показва колко трудно понякога е да се регулира активността на ключови ензими. Един от начините за "бърза реакция" в клетката е промяна в активността на ензимите поради тяхното обратимо фосфорилиране-дефосфорилиране с участието на специални протеин киназии фосфатаза.Именно на този начин на регулация е подложен и PDC: АТФ-зависимото фосфорилиране на комплекса при сериновия остатък потиска неговата активност и при разцепване на фосфатната група активността се възстановява (фиг. 4.7). Състоянието на комплекса зависи от активността на киназата, която от своя страна е обект на алостерична регулация. Киназата се активира от АТФ и амониевия йон и се инхибира от субстрата на комплекса, пируват. Регулаторните свойства на фосфатазата остават неясни. В допълнение, MPC се инхибира от обратната връзка на NADH и ацетил-CoA.

Ориз. 4.7. Регулиране на пируват дехидрогеназния комплекс чрез обратимо фосфорилиране/дефосфорилиране.

Киназата катализира АТФ-зависимото фосфорилиране на един от протеините на комплекса, превръщайки го в неактивно състояние. Киназата се активира от АТФ и амониеви йони и се инхибира от пируват. Дефосфорилирането с участието на фосфатаза възстановява активността на комплекса. В допълнение, активността на PDC се потиска от продуктите на реакцията - NADH и ацетил-CoA; ┴ - инхибиране; - активиране
Регулаторните ензими на TCA са цитрат синтаза и NAD-зависима изоцитрат дехидрогеназа. Активността на цитрат синтазата се инхибира алостерично от ATP и NADH. Изоцитрат дехидрогеназата се активира от ADP и цитрат и се инхибира от ATP и NADH. В допълнение, работата на цикличните дехидрогенази зависи от съотношението NAD/NADH в матрицата. Следователно, съотношението на NADH/NAD+ и ATP/ADP в митохондриалната матрица играе ключова роля в регулирането на TCA. При високо съдържание на ATP и NADH, цикълът ще бъде инхибиран.

И така, по целия път на окисляване на глюкозата действат ензими, чиято активност по комплексен начин зависи от много фактори. В същото време в регулаторната система може да се проследи общ принцип: ключовите реакции се регулират „отдолу нагоре“, т.е. от метаболитите, които се образуват в последващиреакции и преди всичко в крайния етап, когато в процеса на окислително фосфорилиране по-голямата част от АТФ се синтезира от ADP и Fn. Във всички случаи ключовите ензими реагират или на абсолютното съдържание, или на съотношението на ADP, ATP и Fn. Такава регулаторна система е много логична и е насочена към поддържане на икономичен режим в клетката, при който скоростта на разграждане на глюкозата ще съответства на нуждите на клетката от АТФ и други дихателни продукти. При високо ниво на ADP и Pn, което отразява бързата консумация на синтезиран АТФ в клетката, ключовите реакции на гликолизата и ТСА се активират и се инхибират, когато се натрупа АТФ. Благодарение на тази регулаторна система скоростта на окисление на глюкозата и дишането като цяло се координира в съответствие с енергийния статус на клетката.
^ 4.1.8. ОБМЕН НА CTK МЕТАБОЛИТИТЕ МЕЖДУ МИТОХОНДРИИ И ЦИТОЗОЛ

Цикълът на трикарбоксилната киселина е не само необходим етап от обмена на енергия, но и източник на съединения, необходими за много биосинтези, протичащи в цитозола и други отделения. Поради интензивния обмен с цитозола в митохондриите се пресича обменът на три групи от най-важните съединения - въглехидрати, протеини и липиди (фиг. 4.8).

Ориз. 4.8. Цикълът на трикарбоксилната киселина като метаболитен център.

TCA междинните продукти се използват активно като първоначални субстрати при образуването на аминокиселини, липиди и в много други биосинтези. Предложената схема не е пълна, тя само демонстрира активното изтичане на метаболити от главния дихателен път.
Например, ацетил-КоА е изходното съединение за синтеза на мастни киселини и полиизопреноидни съединения, необходими за биосинтеза на липиди, каротеноиди и растителни хормони. Най-важната функция на цикъла е износът на така наречените "въглеродни скелети" под формата на кетокиселини, необходими за синтеза на аминокиселини в реакциите на трансаминиране.

Интегрирането на митохондриите в общия метаболизъм е възможно благодарение на интензивния обмен на метаболити между матрицата и цитозола. Външната мембрана, поради наличието на пори, не предотвратява такъв обмен. Транспортът на съединенията през вътрешната мембрана се осъществява с помощта на интегрирани в нея транспортни протеини. Транспортерите носят кето и аминокиселини, аденинови нуклеотиди, NAD +, коензим А и много други съединения (вижте също подраздел 4.2.11). И така, във вътрешната мембрана има цяло семейство протеини, подобни по структура, които извършват транспорта на аниони на ди- и трикарбоксилни киселини, участващи в цикъла на ТСА.

(фиг. 4.9). Особено интензивно е отстраняването на α-кетоглутарат от митохондриите, което е необходимо за усвояването на амония и синтеза на аминокиселини в хлоропластите. В мембраната са открити два обменни носителя, които пренасят α-кетоглутарат и/или цитрат в цитозола в замяна на малат. В цитозола цитратът се превръща в изоцитрат (с участието на аконитаза) и след това се окислява до образуване на α-кетоглутарат в реакция, катализирана от NADP + -зависима изоцитрат дехидрогеназа. В замяна на а-кетоглутарат или цитрат, малатът навлиза в митохондриите, като по този начин компенсира въглеродните загуби на ТСА.

Възможен е и обмен на редуциращи еквиваленти между митохондриите и цитозола. Образуваният в CTC NADH не само се окислява в дихателната верига, но също така се транспортира до цитозола, където се използва като редуциращ агент в различни реакции, например при редукция на нитрати (виж глава 6). Обратно, в някои случаи NADH може да бъде доставен от цитозола в матрицата. В същото време протеинът носител за NADH е неизвестен. Обменът на NADH между матрицата и цитозола се осъществява с помощта на така наречените "совалкови системи" или "совалки". Най-важният от тях е малат/оксалоацетатната совалка (фиг. 4.9), която работи с участието

NAD-зависима малат дехидрогеназа, чиито изоформи съществуват както в матрицата, така и в цитозола. В митохондриите, където съдържанието на NADH е високо, оксалоацетатът се редуцира до малат от NADH. Мембраната съдържа протеин-носител, който обменя малат за оксалоацетат. Веднъж попаднал в цитозола, малатът може да бъде повторно окислен в обратна реакция с образуването на NADH. Тази проста совалка може по принцип да работи в две посоки, в зависимост от съотношението NADH/NAD+ от двете страни на митохондриалната мембрана. В същото време има доказателства, че в vivo работи главно "за износ": около 25-50% от NADH, образуван в матрицата, се окислява в цитозола поради совалката малат / оксалоацетат. Цикълът на трикарбоксилната киселина не само доставя метаболитите, необходими за синтеза на протеини и липиди, но също така участва в разграждането на тези съединения. Въпреки че растенията "дишат" основно с въглехидрати, в някои случаи протеините или мазнините подпомагат дишането. Например, по време на развитието на разсада, аминокиселините, образувани при разграждането на запасните протеини, се превръщат чрез реакции на трансаминиране в кетокиселини - междинни продукти на цикъла на ТСА и се включват в цикъла. Използването на мазнини при покълването на маслодайни семена е частен случай, свързан с функционирането глиоксилатен цикъл.

Ориз. 4.9. Обмяна на метаболити между матрицата и цитозола.

Вътрешната мембрана на митохондриите съдържа протеини-носители. Пируватът и оксалоацетатът влизат в митохондриите в замяна на ОН йона или фосфат и метаболизират в ТСА с образуването на цитрат. Отстраняването на цитрат или α-кетоглутарат в цитозола в замяна на малат осигурява въглеродни скелети за синтеза на аминокиселини в пластидите, включително хлоропластите. В цитозола цитратът може да се превърне в α-кетоглутарат с участието на цитозолна NADP-зависима изо-цитрат дехидрогеназа. Малат/оксалоацетатната совалка улеснява обмена на NADH между матрицата и цитозола. Совалката работи благодарение на носител (известен като OAA транспортер), който обменя транспорт на малат и оксалоацетат напред и назад през мембраната. Важен транспортер е ATP/ADP транслокаторът и фосфатният транспортер (вижте раздел 4.2.11)

^ 4.1.9. ПРЕВРЪЩАНЕ НА МАЗНИНИТЕ ВЪВ ВЪГЛЕХИДРАТИ. ГЛИОКСИЛАТЕН ЦИКЪЛ

В семената на някои растения мазнините са доминиращите складови съединения. Те включват рицин (Рицинус комунис), фъстък (Арахис хипогея), изнасилване (Brassica напус), слънчоглед { Хелиантус годишен период), тиква (Тиквичкареро),соя (Глицин макс), Arabidopsis (Arabidopsis талиана), длан (Elaeis guineensis) и т.н.

В зависимост от вида на растението, мазнините могат да се натрупват в клетките на котиледоните (слънчоглед, рапица, фъстъци, соя) или в ендосперма (рициново зърно), т.е. в тъкани, предназначени да "хранят" развиващия се разсад. По време на покълването на такива семена работи специален метаболитен път, чрез който мазнините се превръщат в захароза и се транспортират до органите на развиващия се разсад, където се използват като субстрат за дишане и като източник на въглехидрати за биосинтеза ( например клетъчната стена).

По пътя на превръщането на мазнините във въглехидрати в тъканите на ендосперма или котиледоните работи глиоксилатният цикъл, чиито ензими са локализирани в специални органели - глиоксизоми.

Глиоксизомите принадлежат към разнообразно семейство микротела, които в растенията са представени от глиоксизоми и пероксизоми. С развитието на разсада глиоксизомите или изчезват заедно с ендосперма, или се превръщат в типични пероксизоми, когато котиледоните станат зелени.

Уникалното превръщане на мазнините във въглехидрати включва три стъпки: окисляване на мастни киселини, глиоксилатен цикъли глюконеогенеза.И трите етапа са свързани помежду си чрез взаимодействието на четири компартмента - мастни тела, глиоксизоми, митохондрии и цитозол (фиг. 4.10, 4.11). Обикновено растенията съхраняват триацилглицероли, които са в клетката под формата дебели тела,или олеосом.Олеозомите са отделени от водната фаза чрез мембрана, състояща се от един слой фосфолипиди. Такава необичайна структура възниква по време на образуването на олеозоми: мазнините се синтезират в ER кухините, отлагат се между два мембранни монослоя и след това се разделят под формата на капчици. Специални протеини олеозини,покриват повърхността им и предотвратяват залепването. По време на покълването на семената мазнините се хидролизират с участието на липазис образуването на мастни киселини и глицерол. Глицеролът може да се превърне в триозофосфат и да участва в гликолизата, а свободните мастни киселини влизат в глиоксизомите, които обикновено са в близък контакт с олеозомите. Тук започва процесът

β-окисление,в резултат на което 2С фрагменти се отцепват последователно от мастната киселина с образуването на ацетил-КоА. Процесът е придружен от намаляване на NAD + и образуване на пероксид. Образуваният NADH може да бъде отстранен от глиоксизомите чрез малат-оксалоацетатната совалка и пероксидът се разлага каталаза(Вижте подраздел 4.3.2).

Ацетил-КоА е субстрат на глиоксилатния цикъл, който е модифицирана ТСА (фиг. 4.10).

Ориз. 4.10. Глиоксилатен цикъл.

Реакции 1- 5 ензимите катализират: 1 - цитрат синтаза; 2 - аконитаза; 3 - изоцитрат лиаза; 4 - малат синтаза; 5 - NAD-зависима малат дехидрогеназа. Всички ензими, участващи в цикъла, са локализирани в глиоксизома, с възможно изключение на аконитазата. Има доказателства, че аконитазата в покълналите семена от рицин и тиква е цитозолен ензим.

Ориз. 4.11. Взаимодействие на отделенията по време на превръщането на мазнините във въглехидрати по време на покълването на маслодайните семена.

Мазнините, съхранявани под формата на мастни капки, се хидролизират от липаза. Свободните мастни киселини се кондензират с коензим А, за да образуват ацил-КоА. Последният навлиза в глиоксизомите, където протича процесът

β-окисление, при което ацетилните остатъци се отцепват последователно от мастната киселина под формата на ацетил-КоА. Ацетил-КоА се метаболизира чрез глиоксилатния цикъл, чийто продукт е сукцинат. Сукцинатът навлиза в митохондриите, където под действието на TCA ензимите се превръща в малат. Образуваният в цикъла малат напуска митохондриите и се метаболизира в цитозола с образуването на фосфоенолпируват. Фосфоенолпируватът се превръща в 6C-въглехидрати чрез глюконеогенеза.

Три ензима, цитрат синтаза, аконитаза и малат дехидрогеназа, общи за глиоксилатния цикъл и TCA цикъла, са представени в глиоксизомите от други изоформи. Първите две реакции на глиоксилатния цикъл са идентични с първите две реакции на TCA цикъла. Ацетил-КоА се кондензира с оксалоацетат, за да образува цитрат, който след това се превръща в изоцитрат от аконитаза. Следващите две реакции са специфични за глиоксилатния цикъл и се катализират от два уникални за растенията ензима. В първия от тях изоцитрат лиазакатализира разцепването на изоцитрат с образуването на сукцинат и глиоксилат. Сукцинатът напуска цикъла, а глиоксилатът в реакцията, катализирана от малат синтаза,кондензира отново с друга молекула ацетил-КоА, за да образува малат. Цикълът се затваря чрез реакцията на окисление на малат до оксалоацетат, която е идентична с аналогичната реакция на затваряне на TCA. Така в резултат на пет реакции се синтезира сукцинат от две молекули ацетил-КоА (ацетилови остатъци), който напуска глиоксизомите и се използва при синтеза на въглехидрати. Според най-простата схема сукцинатът навлиза в митохондриите, където се включва в реакциите на TCA и се редуцира до малат. Малатът се транспортира от митохондриите в цитозола и се окислява до оксалоацетат от малат дехидрогеназа. PEP карбоксикиназата катализира реакцията, при която оксалоацетатът се превръща в PEP. Фосфоенолпируватът, ключов метаболит на гликолизата, може да се превърне в глюкоза и захароза по време на глюконеогенезата (вижте раздел 4.1.4).

Глиоксилатният цикъл функционира не само в покълващите семена на маслодайните растения, но и в стареещите листа, както и по време на узряването на полените. Предполага се, че гените, кодиращи ензимите на глиоксилатния цикъл, присъстват във всички растения, но не се експресират във всички тъкани и не на всички етапи от онтогенезата. Със стареенето на листата има вероятност пероксизомите да се трансформират в глиоксизоми и в тях започва да функционира глиоксилатният цикъл, с помощта на който той метаболизира ацетил-КоА, образуван по време на разграждането на мембранните липиди. Получените захари впоследствие напускат стареещите листа към други органи.
^ 4.1.10. ОКИСЛИТЕЛЕН ПЕНТОСОФОСФАТЕН ЦИКЪЛ

В растителните и животинските клетки има друг начин на окисляване на глюкозата, който не е свързан с енергийния метаболизъм, но играе важна роля в градивния метаболизъм - окислителният пентозофосфатен цикъл (oPPC). В PFC могат да се разграничат два етапа (фиг. 4.12). В първия от тях първите три реакции от цикъла са необратими и са свързани с последователното окисление на глюкозо-6-фосфат с участието на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназаи 6-фосфоглюконат дехидрогеназа.В резултат на тези две реакции CO 2 се губи, две NADP + молекули се възстановяват и се образува рибулоза-5-фосфат. Вторият етап включва реакции, свързани с рекомбинацията на 5C-захари, в резултат на което се образува първоначалният субстрат, глюкозо-6-фосфат. За да се затвори цикълът е необходимо участието на 6 молекули глюкозо-6-фосфат и съответно образуването на 6 молекули рибулоза-5-фосфат. Пренареждането на молекулите е придружено от превръщането на 6 молекули × 5C-захари в 5 молекули × 6C-захари.

В растенията oPPC ензимите се намират както в цитозола, така и в пластидите. Пластидните и цитозолните изоформи се кодират от различни ядрени гени.

В хетеротрофните коренови тъкани oPPC в пластидите протича доста активно, но функционирането на oPPC в хлоропластите повдига много въпроси. Факт е, че в светлината в хлоропластите работи цикълът на Калвин, много от чиито ензими (фосфатази, транскетолаза, алдолаза, триозофосфат изомераза) също са oPPC ензими. Следователно се смята, че oPPC действа в хлоропластите само на тъмно. „Изключването“ на цикъла на светлината е свързано с механизма на регулиране на пластидната изоформа на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназата. Както вече беше споменато, активността на ензимите може да се промени в резултат на тяхното обратимо фосфорилиране. Друг обичаен начин за регулиране е окисляването или редуцирането на ензима при специална, регулаторна дисулфидна връзка. На светлина глюкозо-6-фосфат дехидрогеназата преминава в неактивно състояние в резултат на редукция при дисулфидната връзка (-S-S → -SHHS-), докато на тъмно настъпва спонтанно окисляване на ензима. Смята се, че фередоксин или тиоредоксин, възстановени по време на фотосинтезата, участват във възстановяването. Основната функция на oPFC е генерирането на NADPH, който е необходим в много биосинтези, както и синтеза на въглехидрати с различен брой въглеродни атоми. Образуваните в цикъла 5C- и 4C-въглехидрати активно напускат цикъла, тъй като те са необходими за синтеза на нуклеотиди, ароматни съединения, витамини, флавоноиди, полизахариди на клетъчната стена и др. 3C- и 6C-захарите също могат да напуснат цикъла и да бъдат включени в процеса на гликолиза, който се извършва в същите отделения. Имайки това предвид, функционирането на цялостен и затворен oPFC в vivo както в цитозола, така и в хлоропласта изглежда малко вероятно.

Ориз. 4.12. Пентозофосфатен цикъл.

Първите три реакции от цикъла са необратими и са придружени от образуването на NADPH и рибулоза-5-фосфат. Последващите реакции са обратими и представляват рекомбинация на 6 молекули 5C-захари с образуването на 5 молекули глюкозо-6-фосфат. Реакции 1-12 катализира следните ензими: 1 - глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа; 2 - глюконолактоназа; 3 - фосфоглюконат дехидрогеназа; 4 - пентозофосфат епимераза; 5 - пентофосфат изомераза; 6 - транскетолаза; 7 - трансалдолаза; 8 - транскетолаза; 9 - триозофосфат изомераза; 10 - алдолаза; 11 -

фосфатаза; 12 - глюкозо фосфат изомераза

Мускулната сила обикновено се разбира като способност за преодоляване на външно съпротивление или противодействие чрез мускулно напрежение.

Скоростно-силовите качества зависят основно от енергийната обезпеченост на работещите мускули и от техните структурни и морфологични особености, които са до голяма степен генетично предопределени.

Проявата на сила и скорост е характерна за физически натоварвания, извършвани в зоната на максимална и субмаксимална мощност. Следователно енергийното снабдяване на скоростно-силовите качества включва главно анаеробни пътища на ресинтеза на АТФ - креатин-фосфат и гликолитичен.

Ресинтезът на АТФ се разгръща най-бързо поради креатин фосфатната реакция. Той достига своя максимум в рамките на 1-2 s след началото на работа. Максималната мощност на този метод за образуване на АТФ надвишава скоростта на гликолитичния и аеробния път на синтез на АТФ съответно 1,5 и 3 пъти. Благодарение на креатин фосфатния път на ресинтеза на АТФ, мускулните натоварвания се извършват с най-голяма сила и скорост. От своя страна стойността на максималната скорост на реакцията на креатин фосфат зависи от съдържанието на креатин фосфат в мускулните клетки и активността на ензима креатин киназа. Възможно е да се увеличат резервите на креатин фосфат и активността на креатин киназата чрез използване на физически упражнения, което води до бързо изчерпване на креатин фосфата в мускулите.

За целта се използват краткотрайни упражнения, изпълнявани с максимална мощност. Добър ефект е използването на метода на интервално обучение, състоящ се от поредица от такива упражнения. На спортиста се предлага серия от 4–5 упражнения с максимална мощност с продължителност 8–10 s. Почивката между упражненията във всяка серия е 20–30 s. Продължителността на почивката между сериите е 5-6 минути.

Изпълнението на високоскоростни и силови натоварвания в зоната на субмаксималната мощност се осигурява с енергия главно поради гликолитичния ресинтез на АТФ. Възможностите на този метод за получаване на АТФ се дължат на интрамускулните запаси на гликоген, активността на ензимите, участващи в този процес, и устойчивостта на организма към образуваната от гликоген млечна киселина. Следователно, за развитието на скоростно-силови способности, базирани на гликолитично захранване с енергия, се използва обучение, което отговаря на следните изисквания. Първо, тренировката трябва да доведе до рязко намаляване на съдържанието на мускулен гликоген, последвано от неговата суперкомпенсация. Второ, по време на тренировка млечната киселина трябва да се натрупа в мускулите и кръвта за последващото развитие на резистентност към нея в тялото.

Интервалите за почивка както между отделните упражнения, така и между сериите от упражнения са явно недостатъчни за възстановяване на запасите от гликоген и в резултат на това по време на тренировка съдържанието на мускулен гликоген постепенно намалява до много ниски стойности, което е предпоставка за появата на изразена суперкомпенсация.

Структурните и морфологичните характеристики на мускулите, които определят възможностите за проява на сила и скорост, са свързани със структурата както на отделните мускулни влакна, така и на мускула като цяло. Скоростно-силовите качества на отделните мускулни влакна зависят от броя на контрактилните елементи - миофибрили - и от развитието на саркоплазмения ретикулум, съдържащ калциеви йони. Саркоплазменият ретикулум също участва в провеждането на нервните импулси в мускулната клетка. Съдържанието на миофибрили и развитието на саркоплазмения ретикулум не е еднакво в мускулните влакна от различни видове. В зависимост от преобладаването на определени методи за образуване на АТФ, химичния състав и микроскопичната структура се разграничават три основни типа мускулни влакна: тонични, фазични и преходни. Тези видове влакна също се различават по своята възбудимост, време, скорост и сила на свиване, продължителност на функциониране.

Тоничните влакна съдържат сравнително голям брой митохондрии, съдържат много миоглобин, но малко контрактилни елементи - миофибрили. Основният механизъм на ресинтеза на АТФ в такива мускулни влакна е аеробен. Поради това те се свиват бавно, развиват малко мощност, но могат да се свиват за дълго време.

Фазичните влакна имат много миофибрили, добре развит саркоплазмен ретикулум и много нервни окончания се приближават до тях. Имат добре развити колагенови влакна, което допринася за бързото им отпускане. В тяхната саркоплазма концентрациите на креатин фосфат и гликоген са значителни, активността на креатинкиназата и гликолизните ензими е висока. Относителният брой на митохондриите в белите влакна е много по-малък, съдържанието на миоглобин в тях е ниско, така че те имат бледо оцветяване. Осигуряването на енергия на белите мускулни влакна се извършва поради креатин фосфатната реакция и гликолизата. Комбинацията от анаеробни пътища за ресинтез на АТФ с голям брой миофибрили позволява на влакната от този тип да развият висока скорост и сила на свиване. Въпреки това, поради бързото изчерпване на резервите от креатин фосфат и гликоген, времето за работа на тези влакна е ограничено.

Преходните мускулни влакна по своята структура и свойства заемат междинно положение между тонични и фазични.

Дори от такова кратко изброяване на разликите между видовете мускулни влакна следва, че за проявата на сила и скорост белите влакна и преходните влакна, близки до тях по структура, са по-предпочитани. Следователно, по-изразени скоростно-силови качества, ceteris paribus, са онези мускули, в които съотношението между мускулните влакна е изместено към белите.

Съотношението между влакната от различни видове в скелетните мускули не е еднакво. Така мускулите на предмишницата, бицепсите на рамото, мускулите на главата и други съдържат предимно физически влакна. Мускулите на тялото, ректус абдоминис, ректус феморис съдържат основно тонични влакна. От тук е лесно да се разбере защо тези мускулни групи се различават значително по свойства като възбудимост, скорост, сила, издръжливост.

Съотношението между различните видове мускулни клетки при всеки човек е генетично предопределено. Въпреки това, използвайки физическа активност от определено естество, е възможно целенасочено да предизвикате промяна в спектъра на мускулните влакна. Поради използването на силови упражнения този спектър се измества към преобладаването на белите влакна, които имат по-голям диаметър в сравнение с червените и преходните, което в крайна сметка води до хипертрофия на тренираните мускули. Основната причина за хипертрофия в този случай е увеличаването на съдържанието на контрактилни елементи в мускулните клетки - миофибрили. Следователно мускулната хипертрофия, причинена от силови натоварвания, принадлежи към миофибриларния тип.

Физическите натоварвания, използвани за развитието на мускулна хипертрофия от миофибриларен тип, на биохимично ниво трябва да доведат до увреждане на миофибрилите с последващата им суперкомпенсация. За тази цел се използват различни упражнения с тежести.

За да се развие силата, често се използва методът на повтарящи се упражнения с напрежение 80–90% от максималната сила. Най-ефективното тегло е 85% от максималната якост. В този случай броят на повторенията "до отказ" обикновено е 7-8. Всяко упражнение се изпълнява в серии, чийто брой варира от 5 до 10, с няколко минути почивка между тях. Скоростта на упражненията се определя от целта на обучението. За преобладаващо увеличаване на мускулната маса упражненията се изпълняват с бавно или умерено темпо. За едновременното развитие на сила и скорост, упражненията се извършват в експлозивно плавен режим: началната фаза на движението се извършва с висока скорост и завършва възможно най-плавно. Следователно, в скоростно-силовите спортове, спортистите по време на периода на силови тренировки трябва да изоставят бавното изпълнение на силови упражнения, тъй като в този случай се губи способността на мускулите да се свиват бързо.

Времето за възстановяване след скоростно-силовата тренировка е 2-3 дни. Въпреки това, чрез промяна на мускулните групи, към които е насочено натоварването, тренировките могат да се провеждат на по-кратки интервали на почивка.

Предпоставка за ефективна силова тренировка е пълноценна, богата на протеини диета, тъй като миофибрилите се състоят изключително от протеини. Има доказателства, че ултравиолетовото облъчване допринася за развитието на мускулна хипертрофия. Предполага се, че под въздействието на ултравиолетовото лъчение се увеличава образуването на мъжки полови хормони, които стимулират синтеза на протеини в организма.

Въглехидратите, протеините и мазнините се хидролизират в организма, а получените продукти от хидролизата - монозахариди, аминокиселини, мастни киселини и глицерол претърпяват трансформации, при които някои от тях се окисляват до въглероден диоксид и вода, които са продукти на окислението на въглерода и водорода. . Ако система, в която всеки от продуктите на биополимерната хидролиза, който е субстрат за последващо окисление, има свой собствен метаболитен път, тогава такава система би била много тромава и ненадеждна. Природата обаче реши проблема с обединяването на метаболитните пътища, като организира катаболните процеси по такъв начин, че в междинните етапи на тези процеси се образува минимален брой еднакви метаболити, които се получават при окисляването на различни вещества. И наистина, както може да се види от схемата, повечето окислителни субстрати се превръщат в пирогроздена киселина - пируват (С 3), а след това в ацетил-КоА (С 2), а последният може да се образува и по време на окисляването на пируват . Ацетил-КоА се окислява напълно в цикъла на трикарбоксилната киселина (CTC - известен също като цикъл на Кребс или цитратен цикъл). Цикълът на Кребс е общ път на катаболизъм за въглехидрати, протеини и мазнини. Енергията, освободена по време на катаболните реакции, се разсейва частично под формата на топлина, докато по-голямата част от нея се изразходва в анаболни реакции. Преносът на енергия се осъществява с помощта на междинни продукти, основният от които е АТФ. Ендергоничните процеси са синтеза на аденозин трифосфат (АТФ) от аденозин дифосфат (АДФ) и неорганичен фосфат, както и синтеза на други вещества с макроергични връзки. Този процес протича поради конюгирането на енергия с катаболни реакции. Ексергоничният процес е хидролизата на АТФ, както и на други трифосфати. Хидролизата доставя необходимата енергия за биосинтеза.

По-долу е дадена диаграма на конюгацията на анаболни и катаболни процеси:

S 1 окислен субстрат, ΔG< 0

ADP + ATP фосфат + H 2 O, ΔG< 0

Сдвояване

ATP + H 2 O → ADP + фосфат, ΔG< 0

S 2 биосинтетичен продукт, ΔG > 0

Повечето от АТФ в тялото идва от окислително фосфорилиране, което се случва във веригата за пренос на електрони (ETC). Основните субстрати на този процес са NAD*H и FAD*H 2, които се образуват главно в цикъла на ТСА, така че една от основните задачи на катаболизма е синтезът на АТФ, вид акумулатор на енергия, необходим за последващи реакции на анаболизъм. Повечето биосинтези са редуктивни по природа, тъй като продуктите на биосинтезата са по-малко окислени в сравнение с изходните материали. Ролята на редуциращ агент в такива процеси играе NAD*H. По този начин ограничен брой съединения играят ключова роля в метаболизма. Това са пируват и ацетил-КоА, вещества, които прекъсват специфични пътища на катаболизъм; АТФ, продукти на хидролиза, които получават енергия за анаболни процеси; NAD * H и FAD * H 2 са коензими, по време на окисляването на които в тялото се образува основната част от АТФ.

Въглехидратен катаболизъм

Процесите на въглехидратния метаболизъм при хората започват в устната кухина, тъй като слюнката съдържа ензима амилаза, който е в състояние да разгражда нишестето и гликогена до дизахарид - малтоза, който разгражда последния до глюкоза с ензима малтаза. Навлизането на глюкоза в клетките на различни органи зависи от хормона инсулин, който регулира скоростта на преминаване на глюкозата през клетъчните мембрани. протеини носители.

Обменът на глюкоза в клетката започва с нейното фосфорилиране:

Глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

АТФ → + АДФ

За разлика от свободната глюкоза, глюкозо-6-фосфатът не може да премине през клетъчните мембрани, така че фосфорилираната глюкоза е „заключена“ в клетката, където се съхранява под формата на гликоген, животинско нишесте, което се синтезира от глюкоза-6- фосфатни молекули.

Катаболизмът на глюкозата в клетката може да протича в три основни посоки, които се различават по начина, по който се променя въглеродният скелет на молекулата:

1. Дихотомният път, при който C-C връзката между третия и четвъртия въглероден атом се разделя и две триози се получават от една хексозна молекула (C 6 → 2C 3).

2. Апотомичен път (пентозен фосфат), при който хексозата се превръща в пентоза (C 6 → C 5) в резултат на окисление и елиминиране на един (първи) въглероден атом.

3. Глюкуронов път, когато шестият въглероден атом се окислява и отцепва

Основният път на разграждане на глюкозата, водещ до освобождаване на енергия, е дихотомният път и в този път, от своя страна, глюкозата може да бъде окислена и нейната енергия може да бъде получена по два начина:

1.Независим анаеробно разпаданеглюкоза към млечна киселина гликолиза.

глюкоза →2-лактат + 134 kJ

Част от тази енергия се изразходва за образуването на две молекули АТФ, а останалата част се разсейва под формата на топлина.

2.Аеробни (зависими от кислорода)разграждането на глюкозата до въглероден диоксид и вода

Това е обратният процес на фотосинтезата:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ↔ 6CO 2 + 6H 2 O + 2850 kJ

60% от тази енергия се съхранява под формата на макроергични връзки на АТФ, тоест в биологично достъпна форма. Както може да се види от горните уравнения, аеробният път несъмнено е по-полезен от гликолизата, тъй като произвежда двадесет пъти повече АТФ от същото количество глюкоза. Аеробното разграждане се извършва от повечето тъкани на тялото с изключение на червените кръвни клетки. Гликолизата е основният източник на енергия за злокачествените клетки. Мускулите използват гликолиза при големи натоварвания, когато достъпът на кислород е затруднен и тогава в напрегнатите мускули се образува млечна киселина.

Реакционната верига на глюкозната гликолиза включва единадесет реакции, от които първите десет са общи с аеробно разграждане, а единадесетата е синтеза на млечна киселина от пирогроздена киселина (PVA) с помощта на NAD*H. Помислете последователно за реакциите по време на аеробното разграждане на глюкозата:

1 реакция е фосфорилирането на глюкозата, нейното активиране.

Втората реакция е изомеризация, глюкозо-6-фосфатът се превръща във фруктозо-6-фосфат.

3 реакция - фруктозо-6-фосфат се фосфорилира до фруктозо-1,6-дифосфат.

Първите три реакции представляват така наречения подготвителен етап; на този етап ATP енергията все още се изразходва за реакции на фосфорилиране:

1

Глюкозо-6-фосфат

2- изомеризация

АТФ

фруктозо-6-фосфат 7 9 3-фосфоглицерат 10

2-фосфоглицерат общ път

9 H2O ATP

Следващата стъпка са реакциите. гликолитична оксидоредукция, при който шествъглеродният скелет се разлага на два тривъглеродни и се окислява до пируват.

4 реакция - фруктозо-1,6-дифосфатът в неговата отворена ациклична форма се разлага с помощта на ензима алдолаза на два тривъглеродни фрагмента: глицералдехид фосфат и дихидроксиацетон фосфат.

5 реакция - изомеризация, превръщане на дихидроксиацетон фосфат в глицералдехид фосфат.

По-нататъшният катаболизъм се осъществява само чрез глицералдехид фосфат, две молекули от който в 6-та реакция се окисляват от NAD + в 1,3-дифосфоглицерат и освободената в този случай енергия се съхранява под формата на АТФ. В този случай окислението на алдехида води до анхидрид на органична и фосфорна киселина. Две молекули 1,3-дифосфоглицерат се превръщат по време на хидролиза в 3-фосфоглицерат и след това, в 8-та реакция, фосфатната група се прехвърля от позиция 3 в позиция 2.

9 реакция - елиминиране на вода за получаване на фосфоенолпируват и след това настъпва кето-енолна трансформация, съчетана с хидролиза, когато една молекула фосфорна киселина се отцепва от дихидроксиацетон фосфат и енолната форма се превръща в кето форма.

ЛИПИДЕН КАТАБОЛИЗЪМ

При висшите животни и хората липидите навлизат в стомаха и го напускат почти незасегнати от киселинната среда. В алкалната среда на тънките черва липидите се хидролизират от липази. Хидролизираните липиди се абсорбират в кръвта и се транспортират до различни органи за по-нататъшен метаболизъм.

През чревната стена в кръвта навлизат глицерол, мастни киселини, моно- и диглицериди. В кръвта мастните киселини отново се естерифицират от глицерол, който се свързва с кръвните протеини и се прехвърля в мастната тъкан или черния дроб, където се отлага. В черния дроб протича хидролиза с образуването на мастни киселини, които се окисляват до CO 2 и H 2 O. По време на окислението се освобождава голямо количество енергия.

Процесът на окисление на FA включва много етапи. FA се разрушава (синтезира) до C-C фрагменти (естествените FA се състоят от четен брой въглеродни атоми). По време на катаболизма мастните киселини първо се превръщат в тиоестери с коензим А, с освобождаване на АТФ, след което се окисляват до ненаситени киселини, FAD служи като окислител.

C 15 H 31 COOH - палмитинова киселина

Относно HCoA Относно FAD

CH 3 (CH 2) 12 CH 2 CH 2 C OH CH 3 (CH 2) 2 CH 2 CH 2 C SCoA

CH 2 (CH 2) 12 CH = SNS SCoA

Пътят на протеиновия катаболизъм започва с хидролиза (протеолиза) под действието на протеазни и пептидазни ензими.

Хидролизата на протеините започва в стомаха под действието на ензима пепсин, това се улеснява от киселинната среда на стомашния сок рН = 1-2, което възниква поради освобождаването на солна киселина от стомашните клетки.

В тънките черва при рН=7,8-8,4 разграждането на протеина се катализира от панкреатичните ензими трипсин и химитрипсин.

AA - продукт на протеинова хидролиза, идващ от стомашно-чревния тракт, е важен фонд за попълване на запасите от аминокиселини в клетките и тъканите. Ограниченият прием дори на една от основните АК отвън предизвиква рязък разпад на собствените тъканни протеини, АК се използват в синтеза на собствени протеини, нуклеотиди, порфирини и др.

Един възрастен се нуждае от 100 g протеин на ден. Протеините могат да бъдат пълноценни - всички основни АА са налични и дефектни - не всички основни АА са налични. През деня се разграждат и синтезират 400 g протеин. Всички протеини се обновяват за 35 дни.

Състоянието на протеиновия метаболизъм може да се съди по азотния баланс. Тъй като органните протеини се различават по строга видова и тъканна специфичност, живият организъм има способността да използва въведения протеин само в хидролизирано състояние.

Абсорбцията на АА през мембраната на тънките черва става под действието на глутатион. АА влизат в кръвния поток на порталната вена, след това в черния дроб, където претърпяват редица трансформации.