Загальна характеристика 12 страница

41. Які вуглеводи належать до гомополісахаридів?

42. Які вуглеводи є гетерополісахаридами?

43. У якому стані в організмі людини знаходяться глюкозаміни (мукополісахариди)?

44.Що таке крохмаль?

45. Які дві фракції утворює крохмаль?

46. Як зв’язані молекули глюкози в крохмалі та глікогені?

47. З яких моносахаридів побудований глікоген?

48. Що спільного в будові глікогену та амілопектину?

49. Які полісахариди мають тваринне походження?

50. Які полісахариди є основними компонентами слизу в організмі (слина, сльози, кишковий сік, слиз суставів)

1. Які гомополісахариди тваринного і рослинного походження побудовані з α-Д-глюкози?

2. В яких органах і тканинах міститься найбільше глікогену?

3. Яку фізіологічну функцію виконує глікоген?

4. Які фізіологічні функції виконують гетерополісахариди?

5. Який гетерополісахарид має антикоагулянтні властивості?

РОЗДІЛ 7. ЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ В ОРГАНІЗМІ

7.1. БІОЛОГІЧНЕ ОКИСНЮВАННЯ

У процесі життєдіяльності організми поглинають з навколишнього середовища енергію в адекватній формі, а потім повертають її еквівалентну кількість, але вже в іншому виді.

Основним носієм енергії є електрон (е ^-). Одержавши визначену кількість енергії, він збуджується: переходить на більш високий енергетичний рівень. Роблячи зворотний шлях на нижню орбіту, електрон вивільняє таку ж кількість енергії.

Для всіх організмів, що живуть на Землі, основним джерелом енергії служить сонячне випромінювання. Існує дві групи організмів, що розрізняються за способом харчування - аутотрофи і гетеротрофи.

Аутотрофи (зелені рослини) здатні безпосередньо уловлювати сонячну енергію і використовувати її для створення органічних сполук.

Гетеротрофи - це організми, що асимілюють готові органічні речовини, які мають визначений запас потенційної енергії. У процесі їхньої життєдіяльності енергія вивільняється.

Великий художник, вчений і натураліст епохи Ренесансу Леонардо Да Вінчі писав: "Життя можливе там, де може горіти вогонь". Іншими словами, процеси життєдіяльності здійснюються тільки при наявності енергії, отриманої при окиснюванні.

Ще в стародавності було відомо, що вугілля або дерево, згоряючи, виділяють теплову енергію, причому для цього необхідне повітря. М. В. Ломоносов вперше в 1756 показав, що при прожарюванні на повітрі метали збільшуються у своїй масі. Звідси був зроблений висновок, що повітря приєднується до металів. Результати дослідів М. В. Ломоносова спростували теорію флогістону (від грец. phlogіstos - займистий). За уявленнями хіміків кінця XVІІ - початку XVІІІ століття, флогістон - це "початок горючості", гіпотетична складова частина речовини, що вони нібито втрачають при горінні і випалі.

У 1774 році, французький хімік А. Лавуазьє довів, що при згорянні органічної речовини в організмі і поза ним утворюються ті самі продукти - СО₂ і Н₂О і в обох випадках виділяється теплота. Цей факт мав важливе значення не тільки для вивчення механізмів вивільнення енергії в організмі, але й у методологічному плані, оскільки була доведена єдність процесів, що відбуваються в живій і неживій природі.

У живих організмах енергія, що вивільняється при окиснюванні, запасається в основному у виді хімічної енергії, що після використання переходить у теплоту.

При окиснюванні в неживій природі відбувається пряме приєднання кисню:

Такий процес можливий лише в тому випадку, якщо в реакційній суміші міститься речовина, що з'єднується з гідрогеном, який вивільнився. Цю речовину називають акцептором гідрогену, а сполуку, що є джерелом гідрогену, - донором цього елемента. Універсальним акцептором гідрогену виступає оксиген повітря.

Загальна умова окиснювання - віддача електрона:

Fe²⁺ → Fe³⁺

–e

Процес вивільнення енергії в живому організмі забезпечує усі форми життєдіяльності (у тому числі перетворення речовин їжі в компоненти клітини), а також підтримку організму в стані динамічної рівноваги, незважаючи на постійні зміни умов зовнішнього середовища.

Типовим прикладом окиснювання в неживій природі є горіння. Воно супроводжується значним підвищенням температури. При горінні виділяється величезна кількість енергії, утворюється суміш різноманітних речовин непостійного складу. Характер виділення енергії, що з'являється при горінні, можна порівняти з нищівною силою водоспаду, що падає з високої гори. Якщо розділити його на кілька водоспадів, що падають з невеликої висоти, то кожний з них буде мати менший напір.

У процесі еволюції в живих організмах виробилися механізми перетворення могутнього потоку енергії, що вивільняється при повному окиснюванні харчових речовин, у невеликі порції, що запасаються, приблизно на 50 %, у виді хімічної енергії, використовуваної для процесів синтезу, інші 50 % виділяються у виді теплоти.

Встановлено, що універсальним резервом хімічної енергії, що утворюється в процесі окиснювання органічних речовин у клітинах, є аденозинтрифосфат (АТФ). Ця сполука складається з аденіну, рибози і трьох залишків фосфорної кислоти. Таким чином, вивільнення енергії при окиснюванні органічних речовин, на відміну від горіння, відбувається поступово. При цьому не виникають ті значні перепади температури, що характерні для горіння. Незалежно від окремих етапів окисного розщеплення органічних речовин у кінцевому рахунку утворюються ті ж продукти розпаду (СО₂ і Н₂О) і виділяється стільки ж енергії.

Оксиген з повітря надходить в організм через дихальні шляхи в легені і кров, що транспортує його до всіх клітин. Однак оксиген у тканинах не приєднується безпосередньо до вихідного джерела енергії - будь то карбоген, амінокислота або жирна кислота. Ці сполуки поступово деградують, втрачаючи гідроген, електрони, що і реагують з оксигеном.

Таким чином, джерелом енергії в організмі стає реакція між гідрогеном і оксигеном, у результаті чого утворюється вода.

Оксид карбогену, що є обов'язковим продуктом окиснювання, відщеплюється тканинними ферментами від кислотних груп - СООН амінокислот, жирних кислот і ін.

На вивчення шляхів взаємодії органічних речовин і оксигену в клітинах були спрямовані зусилля багатьох дослідників, що висували гіпотези, які часом заперечували одна одну. Роль кисню для життя не викликала сумнівів. Задача полягала в тому, щоб з'ясувати, чому оксиген повітря не окисляє організм і сам процес окиснювання відбувається тільки в тканинах, а не на шляху до них. Виявилося, що в тканинах відбувається активація оксигену, яку потребує цей елемент для швидкої взаємодії з речовинами, що окисляються (те ж спостерігається і поза організмом).

На рубежі XІ і XX ст. російський вчений А. Н. Бах і незалежно від нього в Німеччині К. Емглер і В. Вілд висунули гіпотезу про утворення пероксидів органічних сполук як початкового етапу біологічного окиснювання. Відповідно до цієї гіпотези молекула кисню переходить в активний стан за рахунок розриву в ній подвійного зв'язку за допомогою "внутрішньої коливальної енергії" самої сполуки, що окислюється, і при участі ферментів-оксидаз.

Під впливом ферментів легкоокислювані речовини, наприклад, феноли або сполуки, що містять подвійні зв'язки, утворюють перекиси (пероксиди), що у свою чергу під впливом ферментів пероксидаз розщеплюються, виділяючи атомарний оскиген (так звана "перекісна теорія"). В наступні роки теорія А. Н. Баха знайшла підтвердження в роботах О. Варбурга, Д. Кейліна, де було показано, що пероксиди органічних сполук, що утворилися, як і пероксид водню, можуть окисляти інші речовини.

Однак не всі біологічні субстрати окислюються оксигеном у присутності легкоокислюваних речовин і пероксидази.

На підставі результатів досліджень російський хімік В. І. Паладін у 1908 році розробив теорію, відповідно до якої головну роль у біологічному окиснюванні грають ферменти, які каталізують відщіплення гідрогену від органічних речовин клітин, тобто дегідрогенази. Функція оксигену, за цією теорією, полягає в окиснюванні гідрогену з утворенням води.

Теорія В. І. Паладіна одержала подальший розвиток у працях Г. Віланда, що описав, як відбувається окиснювання речовин, що не є безпосередніми субстратами для дії дегідрогеназ. Такою речовиною був названий, наприклад, оцтовий альдегід.

На початку XX сторіччя склалися дві концепції: біологічного активування оксигену і активування гідрогену. Однак протистояння їхніх прихильників продовжувалося недовго. У 1925 р. Д. Кейлін відкрив в аеробних біологічних об'єктах цитохроми, тобто ферменти, що дозволило вченим декількома роками пізніше зв'язати активування оксигену і гідрогену воєдино. Цьому сприяло виявлення О. Варбургом (1928 р.) цитохромоксидази, що називають "дихальним ферментом Варбурга". Саме цитохромоксидаза виявилася тим ферментом, що безпосередньо активує гідроген, а цитохроми - ферментами, що "знімають" електрони у гідрогену і передають їх цитохромоксидазі.

Сучасна теорія біологічного окиснювання об'єднала теорії Баха - Варбурга і Паладіна - Віланда на новому рівні розвитку досліджень цієї наукової проблеми. Отже, біологічне окиснювання - це процес відщіплення атомів водню або електронів від субстрату і передача їх через ряд проміжних етапів на молекулярний кисень. У цьому процесі беруть участь ферменти: пирідинозалежні дегідрогенази (їх коферментну функцію виконує нікотинамідаденіндинуклеотид-НАД або нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат - НАДФ), флавінозалежні дегідрогенази - флавінові ферменти (до складу їхньої простетичної групи входить флавінаденіндинуклеотид - ФАД або флавінаденінфосфат - ФАДФ); цитохроми (містять у якості простетичної групи залізопорфіринову кільцеву систему), а також убіхінон (коензим Q) і білки, що містять негемінове залізо.

7.2. РОЛЬ ОКИСЛЮВАЛЬНО-ВІДНОВНИХ ФЕРМЕНТІВ У БІОЛОГІЧНОМУ ОКИСНЮВАННІ

Пірідинозалежні дегідрогенази. До цієї групи каталізаторів відносяться складні ферменти, небілковою частиною яких є НАД і НАДФ (Рис. 7.1.). Останній відрізняється від НАД наявністю ще одної молекули фосфорникотинамідаденіннуклеотидної кислоти.

Рис. 7.1. Будова никотинамідаденіндинуклеотиду.

У клітинах НАДзалежні дегідрогенази беруть участь переважно в процесах, зв'язаних з переносом електронів від органічних субстратів до кисню.

НАД містить два залишки азотистих основ, залишки двох рибоз і двох фосфорних кислот. Однією азотистою основою є аденін, другою - амід нікотинової кислоти, якому властива функція вітаміну РР (антипелагричного). З назв азотистих основ і виникла абревіатура НАД.

Акцептором гідрогену в НАД і НАДФ є нікотинамід в окисленій формі. В окисленій формі ця сполука містить у кільці п’ятивалентний нітроген. Після відновлення один атом гідрогену приєднується до карбогену, у результаті чого розривається його подвійний зв'язок із сусіднім атомом. Електрон другого атома гідрогену гасить заряд п’ятивалентного нітрогену, і той перетворюється в тривалентний. Приєднання електрону і зниження валентності є відбудовним процесом. Протон, що залишився, переходить у середовище.

Забираючи атоми водню від субстрату, нікотинамід переходить з окисленої форми у відновлену, і з акцептора водню стає його донатором.

Флавінові ферменти. Наступним акцептором атомів водню виступає група флавінових ферментів, що здійснюють перенос водню (електронів і протонів) від відновленої форми НАД (НАДН₂) до цитохромів. До флавінових дегідрогеназ відносяться складні ферменти, небілковою частиною яких є флавінаденіндинуклеотид (ФАД) (Рис. 7.2.). На відміну від нікотинамідаденіндинуклеотиду ФАД містить замість аміду нікотинової кислоти залишок вітаміну В₂. Він з'єднаний з похідними рибози (рибітолом), двома залишками фосфорної кислоти, рибозою і аденіном.

Мал. 7.2. Будова флавінаденіндинуклеотиду.

Гетероциклічне ядро вітаміну В₂ є ізоалоксазином. Його сполуки називають флавінами, а білки, з'єднані з флавінами - флавопротеїнами. До них відноситься фермент, що є дегідрогеназою, що реагує з НАДН₂. Отже, цей флавопротеїн, як правило, не вступає в реакцію безпосередньо з органічними сполуками, що окисляються, тому його називають вторинною дегідрогеназою. Разом з тим, є субстрати, що безпосередньо окисляються флавопротеїнами, вони транспортують відщиплені протони і електрони на оксиген, і в результаті утворюється не вода, а оксид гідрогену. Під впливом ферменту каталази пероксид гідрогену розщеплюється на воду і молекулярний оксиген.

Активною частиною молекули ФАД є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну, до атомів нітрогену якого можуть приєднуватися два атоми гідрогену, тобто два електрони і два протони при відповідному внутрімолекулярному перегрупуванні подвійних зв'язків.

Крім ФАД, в окислювально-відновних реакціях бере участь його фосфоролюване похідне - ФАДФ, що містить додатковий залишок фосфорної кислоти, приєднаний до рибози. В усіх цих сполуках вихідними речовинами є вітаміни, що повинні надходити в організм у складі їжі, щоб не порушився фундаментальний процес біологічного окиснювання - основне джерело енергії для процесів життєдіяльності.

Наступним ферментом, який каталізує перенос атомів гідрогену від відновлених флавонуклеотидів, є кофермент Q, або убіхінон, сполука близька до вітаміну К.

Кофермент Q виступає посередником між ФАДН₂ і цитохромами. Він являє собою похідне бензохінону з довгим бічним ланцюгом, що складається з 10 ізопреноїдних одиниць.

Відновлена форма флавінових дегідрогеназ у ланцюзі дихальних ферментів передає атоми водню (електрони і протони) до Q. Приєднуючи гідроген, убіхінон з окисленої форми перетворюється у відновлену.

Подальший перенос електронів від відновленої форми убіхінону на оксиген здійснює система цитохромів.

Цитохроми. Цитохроми (від грец. cytos - клітина, chroma - колір) - пігменти, пофарбовані в червоний колір завдяки наявності в їхній молекулі заліза. Встановлено, що в ланцюзі окиснювання ланка цитохромів включається у визначеній послідовності між убіхіноном і оксиген.

цит В → цит С₁ → цит С → цит А → цит А₃

Причому цитохроми В, С₁, А, А₃ виконують роль проміжних переносників електронів, а цитохром А₃ (цитохромоксидаза) є кінцевим дихальним ферментом, що вступає в безпосередній контакт із оксигеном. Усі цитохроми мають простетичну гемінову групу, ідентичну гему гемоглобіну.

Цитохроми відрізняються друг від друга не тільки простетичними групами. Розходження у властивостях окремих їхніх видів обумовлені будовою білкової частини. Так, у цитохромах В и С гем прикритий "ширмою" з пептидів, що перешкоджає їхній безпосередньої реакції з киснем. У ході каталітичного процесу валентність залізо, що міститься в цитохромах, зворотно міняється (Fe₂⁺ > Fe₃⁺).

Окислена форма цитохромоксидази (Fe₃⁺) приймає електрони від відновленого цитохрому С, переходячи у відновлену форму (Fe₂⁺), що потім знову окисляється в Fe₃⁺ молекулярним оксигеном на етапі цитохрому А₃. При цьому утворюється активний оксиген, що приєднує два протони з навколишнього середовища, у результаті чого і виникає молекула води.

У такий спосіб цитохроми завершують транспорт електронів від субстрату, що окисляється, на оксиген.

7.3. ТРАНСПОРТ ЕЛЕКТРОНІВ І ПРОТОНІВ ПРИ БІОЛОГІЧНОМУ ОКИСНЮВАННІ

Усю систему реакцій і ферментів тканинного дихання називають дихальним ланцюгом. Він складається з трьох основних етапів.

Перший етап - процеси дегідрування субстратів, які каталізуються переважно нікотинамідними ферментами (НАД і НАДФ).

Другий етап - процеси окиснювання відновлених форм нікотинамідних ферментів (НАДН₂ і НАДФН₂), які каталізуються головним чином флавіновими ферментами.

Третій етап - процеси окиснювання відновлених форм флавінових ферментів, які каталізуються системою цитохромів.

У ланцюзі транспорту електронів беруть участь численні проміжні переносники протонів і електронів. До них відносяться, наприклад, цистеїн, що перетворюється при окиснюванні в цистін, вітамін С, що утворює при дегідруванні зворотно окислену форму; інші речовини, що містять ненасичені зв'язки, які легко приєднують гідроген і передають його потім іншому акцепторові. У передачі електронів по ланцюзі цитохромів бере участь негемінове залізо, воно не змінює валентності, а забезпечує "тунельний" ефект, що полегшує їхню міграцію.

Процес переносу атомів гідрогену через усю комплексну ферментативну систему тканинного дихання зв'язаний з оборотними перетвореннями ферментів з окислених форм у відновлені.

Таким чином, першим акцептором електронів і протонів, що відбираються від речовин, що окисляються, є НАД, що при цьому відновлюється (НАДН₂) і передає водень (електрони і протони) на ФАД. При цьому НАДН₂ окисляється і стає здатним приймати нову пару водневих іонів, а ФАД відновлюється до ФАДН₂. Потім електрони і протони переходять з ФАДН₂, на кофермент Q (убіхінон). Далі шляхи електронів і протонів розходяться: електрони по системі цитохромів передаються на оксиген, а протони, минаючи систему цитохромів, переходять прямо на оксиген. Весь цей процес протікає на мітохондріях, що є "силовими станціями" вироблення енергії в клітинах. Вони мають особливу структуру, що відрізняється від будови інших органел. Характерним є наявність безлічі мембран, що утворюють перегородки, внутрішні випинання. Саме тут знаходяться ферменти, які послідовно каталізують всі етапи окиснювання органічних речовин. Встановлено, що дегідрогенази розташовані в основі виросту (випинання), за ними - послідовно убіхінонпротеїн, система цитохромів. Цитохром А₃ граничить з порожниною мітохондрій, куди як би "сходить з конвеєра" АТФ.

7. 4. ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАНННЯ

Роль ланцюга біологічного окиснювання полягає в тому, що при переході електронів від одного переносника на інший поступово знижується енергетичний рівень, при цьому втрачається заключена в них енергія, що доставляє в середньому 56,6 ккал/моль.

Енергія, що вивільнилася, частково виділяється у виді теплоти, але велика її частина витрачається на утворення АТФ. Причому з одних сполук при окиснюванні 1 моля вивільняється енергія, достатня для синтезу трьох молекул АТФ, а з інших - тільки для двох. Наприклад, якщо первинним акцептором водню є НАД, то утвориться три молекули АТФ, якщо ФАД - дві.

АТФ-аденозинтрифосфорна кислота (аденозинтрифосфат), що з'являється в процесі окиснювання органічних речовин у клітинах, являє собою універсальне джерело енергії. Ця унікальна сполука складається з аденіну, рибози і трьох залишків фосфорної кислоти.

Зв'язки між атомами, при розриві яких виділяється велика кількість енергії, називають макроергічними і позначають значком ~, а сполуки - макроергом. Величина цього макроергічного зв'язку складає приблизно 8-10 ккал/моль. З інших макроергів можна назвати урідинтрифосфат - УТФ, гуанозінтрифосфат - ГТФ, креатинінфосфат, фосфоєнолпіровиноградну кислоту та ін.

Особливістю цих сполук є те, що при розпаді макроергічного зв'язку енергія не розсіюється, а безпосередньо використовується без втрат на перетворення інших сполук.

АТФ синтезується з аденозиндифосфату (АДФ) і неорганічної фосфорної кислоти при наявності енергії. Відповідно, при розпаді утворюються вихідні речовини і виділяється енергія.

Отже, АТФ є переносником енергії і служить ланкою, що поєднує між собою процеси, що протікають з виділенням і споживанням енергії.

+енергія

АТФ АДФ ₊ Н₃РО₄.

–енергія

Шлях утворення АТФ з АДФ і неорганічного фосфату за рахунок енергії, що вивільняється при окиснюванні органічних речовин, називають окисним фосфоролюванням.

При транспортуванні електронів і протонів (порізно або разом) знижується кількість потенційної енергії, що міститсья в харчових речовинах або структурних компонентах клітин, що окисляються, вона переходить у вільну енергію і запасається в макроергічних зв'язках АТФ. У дихальному ланцюзі є три ділянки, де з'являється вільна енергія, достатня для синтезу АТФ. Це відрізок дихального ланцюга між НАД і ФАД, між цитохромами В і С, А і А₃.

Тобто у процесі переносу пари електронів утворюється три молекули АТФ.

Процес вивільнення і акумулювання енергії в організмі умовно можна розбити на чотири етапи.

На підготовчому етапі в шлунково-кишковому тракті відбувається гідроліз високомолекулярних сполук їжі - полімерів і усмоктування мономерів, що утворилися. Так, білки розщеплюються до амінокислот, жири - до гліцеролу і вищих жирних кислот, вуглеводи - до моносахаридів. На цьому етапі практично не утворюється енергії (всього приблизно 0,1 %).

На першому етапі відбувається перетворення мономерів у клітинах. Вони розпадаються на більш прості сполуки, що можуть бути однаковими в різних мономерах. Наприклад, при окиснюванні вуглеводів, жирів і ряду амінокислот, хоча і різними шляхами, але утворюється та сама сполука - ацетил-КоА, що одержала назву "універсальний метаболіт".

На цьому етапі вивільняється близько 1/3 всієї енергії, що виділяється при розпаді речовин.

Другий етап являє собою повне окиснювання ацетил-КоА, у результаті чого утворюється оксид карбогену і вивільняється гідроген. Цей процес докладно вивчений X. А. Кребсом.

Цей процес протікає однаково у всіх клітинах. Цикл Кребса являє собою замкнуту систему реакцій, що починається взаємодією ацетил-КоА і щавелевооцтової кислоти з утворенням трикарбонової лимонної кислоти, що, проходячи ряд стадій, знову перетворюється в щавелевооцтову кислоту. Серед інших сполук циклу Кребса особливе значення має ізолимонна, b-кетоглутарова, бурштинова і яблучна кислоти, тому що вони піддаються окислюванню. Цей процес каталізується ферментами, коферментами яких є вітаміни або їхні похідні (дегідрогенази та ін.).

На третьому етапі відновлена форма дегідрогенази окислюється в дихальному ланцюзі з утворенням води.

Незначна частина гідрогену, що вивільнився, використовується для синтезу нових сполук, а велика частина окисляється оксиген з утворенням води. Саме в ході цього процесу відбувається вивільнення енергії, укладеної в електронах. Причому в організмі утворення води відбувається не відразу, а через ряд реакцій, з цієї причини і енергія електронів виділяється не одночасно, а поступово.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: