Метаболизм, анаболизм, катаболизм. Метаболические пути, их организация и регуляция

1.

Метаболизм, анаболизм,
катаболизм. Метаболические
пути, их организация и
регуляция.

2.

Обмен веществ – 3 этапа
1-й: Внешний обмен – поступление веществ
(питание и дыхание)
2-й: Промежуточный обмен (в клетках)
МЕТАБОЛИЗМ
3-й: Выделение продуктов метаболизма

3.

4.

МЕТАБОЛИЗМ:
1. КАТАБОЛИЗМ
Это ферментативное расщепление молекул – за счет реакций
ОКИСЛЕНИЯ
Синтез энергии в форме АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты
2. АНАБОЛИЗМ
это фаза метаболизма, в которой происходит
образование (биосинтез) сложных молекул (белков, липидов,
полисахаридов) из простых предшественников. Процессы биосинтеза
протекают с затратой энергии. Источником этой энергии служит распад
АТФ до АДФ и неорганического фосфата.
Это ферментативный синтез клеточных компонентов из
предшественников
Потребление энергии – АТФ, НАДФН2

5.

Катаболическая и
анаболическая фазы
метаболизма тесно
связаны между собой :
а) Энергия,
выделяемая в реакциях
катаболизма, и
аккумулированная в
форме молекул АТФ,
потребляется в
анаболических
процессах.
б) В реакциях
катаболизма
образуются простые
метаболиты, которые
могут использоваться в
реакциях биосинтеза
(анаболизма).

6.

7.

Метаболизм(обмен веществ) - совокупность
реакций в организме, направленных на
образование органических веществ - составных
частей клеток и тканей и реакций,
заключающихся в распаде сложных
органических веществ.

8.

Главные функции метаболизма в клетке:
а) запасание энергии, которая добывается путем
расщепления пищевых веществ, поступающих в
организм, или путем преобразования энергии
солнечного света;
б) превращение молекул пищевых веществ в
строительные блоки;
в) сборку белков, нуклеиновых кислот, липидов,
полисахаридов и прочих клеточных компонентов из
этих строительных блоков;
г) синтез и разрушение тех биомолекул, которые
необходимы для выполнения специфических
функций данной клетки.

9.

Метаболический путь - определенная
последовательность ферментативных реакций в
клетке. Промежуточные продукты реакций
метаболического пути называются метаболитами

10.

Организация химических реакций в
метаболические пути
1. Пространственная локализация ферментов
Ферменты имеют внутриклеточную локализацию и
распределены в организме неравномерно. Все ферменты
одного метаболического пути, как правило, находятся в одном
отделе клетки. Особенно разделение метаболических путей
важно для противоположно направленных катаболических и
анаболических процессов.
В ряде случаев пространственная организация ферментов
настолько сильно выражена, что продукт реакции ни при каких
условиях не может быть вычленен из метаболического пути и
обязательно служит субстратом следующей реакции. Такая
организация метаболического пути носит название
мультиферментного комплекса и возникает в результате
структурно-функциональной организации ферментов.

11.

2. Структура метаболических путей
Линейный
метаболический
путь
Предшественник А
превращается в
продукт Е в результате
пяти
последовательных
реакций. Продукт
одной
ферментативной
реакции служит при
этом субстратом
следующей.
Гликолиз

12.

Разветвлённый
метаболический
путь
Метаболит С выходит
из цепи реакций
данного пути,
превращаясь в
метаболит D и F

13.

Цикл трикарбоновых кислот
Циклический
путь
Конечным продуктом
такого пути является
один из субстратов
первой
ферментативной
реакции. Таким путём
происходит окисление
ацетильной группы до
СО2 и Н2О в цикле
Кребса.

14.

Спиральный
путь

15.

Компартментализация

16.

Катаболизм – это фаза, в которой происходит
последовательное расщепление сложных молекул до более
простых, таких, как СО2, вода и аммиак. Процессы катаболизма
сопровождаются выделением энергии. Эта энергия частично
аккумулируется в форме макроэргического соединения –
аденозинтрифосфата (АТФ).
Анаболизм – это фаза метаболизма, в которой происходит
образование (биосинтез) сложных молекул (белков, липидов,
полисахаридов) из простых предшественников. Процессы
биосинтеза протекают с затратой энергии. Источником этой
энергии служит распад АТФ до АДФ и неорганического
фосфата.
Метаболические пути, выполняющие как катаболическую, так
и анаболическую функцию, называют амфиболическими.

17.

3 основные стадии Катаболизма

18.

Первая стадия
На этой стадии крупные биомолекулы
расщепляются на составляющие их строительные
блоки: полисахариды превращаются в пентозы и
гексозы, жиры – в жирные кислоты, глицерол и
другие компоненты, белки – в аминокислоты.
Это происходит в желудочно-кишечном тракте, а
также в лизосомах клетки. Реакции
катализируют ферменты, относящиеся к классу
гидролаз. Относительная энергоотдача
составляет менее 1% всей высвобождаемой
энергии.

19.

Вторая стадия
На этой стадии мономеры, образовавшиеся в первой стадии,
внутриклеточно подвергаются превращениям с выделением энергии
(20-30%). Основные реакции катаболизма:
1) для моносахаридов – гликолиз, конечным метаболитом которого
является пировиноградная кислота, которая далее подвергается
окислительному декарбоксилированию и превращается в активную
форму уксусной кислоты – ацетил-КоА;
2) для жирных кислот – β-окисление, конечным продуктом которого
является ацетил-КоА; для глицерина – расщепление до пирувата,
который далее превращается в ацетил-КоА;
3) для аминокислот и нуклеотидов – дезаминирование и расщепление
без азотистых молекул до ди- и трехуглеродных карбоновых кислот и
их производных. Большинство этих метаболитов превращается в
ацетил-КоА.
Эти реакции протекают уже в митохондриях клетки. Пируват и ацетилКоА, находящиеся на пересечении нескольких метаболических путей,
можно отнести кключевым или узловым метаболитам.

20.

Различают общий и специфические пути
катаболизма. К специфическим путям
катаболизма веществ того или иного класса
относят главным образом реакции первой и
второй стадии катаболизма, которые для каждого
класса могут существенно различаться. Третья
стадия, одинаковая для всех классов питательных
веществ, называется общим путём катаболизма

21.

Третья стадия
На этой стадии катаболизма в митохондриях
происходит окисление ацетил-КоА до СО2 и Н2О
и окислительное фосфорилирование с образованием
АТФ.
Окисление ацетил-КоА до СО2 происходит в цикле
трикарбоновых кислот, при участии коферментов
НАД и ФАД и цитохромов. Атомы водорода
поступают в дыхательную цепь (электроннотранспортная цепь митохондрий) и переносятся на
кислород, образуя Н2О. Полученная энергия (на этой
стадии образуется 70-80% энергии) используется для
осуществления окислительного фосфорилирования,
главного источника АТФ в организме.

22.

Заключительной реакцией второй стадии катаболизма питательных веществ
является окислительное декарбоксилирование пирувата.
Пируватдегидрогеназный комплекс – мультифермент, в состав которого входит 3
фермента:
1) пируватдекарбоксилаза (коферментом служит производное витамина В1 тиаминдифосфат, ТДФ);
2) трансацилаза (кофермент – липоевая кислота, ЛКРисунок 13.4. Липоевая
кислота (витаминоподобное вещество).
3) дигидролипоилдегидрогеназа (в качестве кофермента используется
производное витамина В2 – флавинадениндинуклеотид, ФАД).
В реакции участвуют также два кофермента: коэнзим А (НSКоА, производное
витамина В3) и никотинамидадениндинуклеотид (НАД, производное
витамина РР), связанные при помощи нековалентных связей соответственно с
трансацилазой и дигидролипоилдегидрогеназой.

23.

Анаплеротический метаболический путь
Необходим для анаболических реакций(синтез из метаболитов
более сложных соединений)

24.

Вторичный метаболизм
Помимо реакций первичного обмена существует значительное число
метаболических путей, приводящих к образованию соединений, свойственных
лишь определённым, иногда очень немногим, группам организмов. Эти
реакции, согласно И. Чапеку (1921) и К. Пэху (1940), объединяются термином
вторичный метаболизм, или вторичный обмен, а продукты
называются продуктами вторичного метаболизма, или вторичными
соединениями (иногда, что не совсем верно, вторичными метаболитами).
Следует, однако, подчеркнуть, что различия между первичным и вторичным
метаболизмом не очень резки.
Вторичные соединения образуются по преимуществу у вегетативно
малоподвижных групп живых организмов — растений и грибов, а также
многих прокариот. У животных продукты вторичного обмена сравнительно
редки и часто поступают извне вместе с растительной пищей. Роль продуктов
вторичного метаболизма и причины их появления в той или иной группе
различны. В самой общей форме им приписывается адаптивная роль и в
широком смысле — защитные свойства.

25.

26.

Цикл Кребса
Цикл трикарбоновых кислот (цикл
лимонной кислоты, цикл Кребса) –
аэробный метаболический цикл, в котором
ацетил–КоА (ключевой метаболит обмена
углеводов, белков, жиров) окисляется до СО2 с
образованием атомов водорода, которые
используются в дыхательной цепи митохондрий
для получения АТФ в процессе окислительного
фосфорилирования.

27.

28.

Цикл Кребса включает 8 последовательных стадий, обращая особое
внимание на реакции дегидрирования субстратов:
1. Образование цитрата (лимонной кислоты) происходит при взаимодействии
ацетил-КоА с оксалоацетатом и идет при участии цитратсинтазы.
2.Превращение цитрата в изоцитрат катализируется ферментом аконитазой и состоит
из двух этапов. Вначале происходит дегидратация лимонной кислоты с образованием цисаконитовой кислоты, а потом к цис-аконитовой кислоте вновь присоединяется молекула воды с образованием уже изолимонной кислоты.
3.Окисление изоцитрата до α -кетоглутарата происходит при участии НАД-зависимой
изоцитратдегидрогеназы, которая является регуляторным ферментом, положительным
модулятором которого является АТФ, отрицательным – НАДН2. Образовавшийся
НАДН2 далее окисляется в дыхательной цепи митохондрий с генерацией 3 молекул АТФ.
В митохондриях имеется еще и НАДФ-зависимая изоцитратдегидрогеназа, так что при
окислении изоцитрата образуется не только НАДН2 а и НАДФН2.
4.Окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА происходит путем окислительного
декарбоксилирования при участии мультиэнзимного α-кетоглутаратного комплекса,
который подобен пируватдегидрогеназному комплексу. В результате образуется
сукцинил-КоА и НАДН2 (последний окисляется в дыхательной цепи с генерацией 3
молекул АТФ).

29.

5. Деацилирование сукцинил-КоА идет под влиянием сукцинил-тиокиназы. За счет
энергии расщепления макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА образуется ГТФ
(гуанозинтрифосфат) макроэргическое соединение, подобное АТФ. Далее ГТФ в нуклеозидфосфокиназной реакции способен превратится в АТФ.
6.Окисление сукцината в фумарат происходит при участии ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы. Образовавшийся ФАДН2 окисляется в дыхательной цепи с генерацией 2
молекул АТФ.
7.Превращение фумаровой кислоты в яблочную (малат) осуществляется под
влиянием фермента фумаратгидратазы.
8.Окисление малата до оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) происходит
под влиянием НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Образовавшийся НАДН2
окисляется в дыхательной цепи с генерацией 3 молекул АТФ. В митохондриях имеется
еще и НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа, которая продуцирует НАДФН2.
Оксалоацетат – конечный продукт ЦТК может вступить во взаимодействие с новыми
молекулами ацетил-КоА.

30.

Энергетический баланс ЦТК.
В ЦТК образуется 2 молекулы СО2 (в изоцитратдегид
рогеназной и α-кетоглутаратдегидрогеназной
реакциях) и 3 молекулы НАДН2 и одна молекула
ФАДН2. Окисление НАДН2 в дыхательной цепи
митохондрий дает по 3 молекулы АТФ на каждую
молекулу НАДН2 и по 2 молекулы АТФ на каждую
молекулу ФАДН2. Одна молекула АТФ образуется за
счет субстратного фосфорилирования на этапе
превращении сукцинил-КоА в сукцинат. Таким
образом, при полном окислении 1 молекулы ацетилКоА до СО2 и Н2О генерируется 12 молекул АТФ.

31.

Значение ЦТК.
1.Интегративное – цикл Кребса объединяет пути катаболизма
углеводов, белков и жиров, т.к. в нем утилизируется молекулы
ацетил-КоА, образующиеся при расщеплении этих веществ.
2.Энергетическое. При расщеплении 1 молекулы ацетил-КоА до
конечных продуктов (СО2 и Н2О) генерируется 12 молекул АТФ.
3.Амфиболическое (двойственное). В ЦТК происходит не только
катаболические процессы – окисление ацетил-КоА. Субстраты ЦТК
используются и для реакций синтеза (анаболические процессы). Так,
из оксалоацетата синтезируется аспарагиновая кислота; из αкетоглутаровой кислоты – глутаминовая; из оксалоацетата фосфоэнолпируват.
4.Гидрогендонорное. Реакции дегидрирования происходящие в ЦТК
служат источником атомов водорода (НАДН2) для дыхательной цепи.
В ЦТК образуется и НАДФН2 (НАДФ-зависимые изоцитрат- и
малатдегидрогеназы), который далее используется как восстановтель
при синтезе жирных кислот, стероидных гормонов, окислении
ксенобиотиков.