Биоэнергетика изучает трансформацию энергии в живых системах

1.

Биоэнергетика изучает
трансформацию энергии в живых
системах

2.

• Классификация организмов
• Согласно источнику энергии:
• Фототрофы, использующие энергию
солнечных лучей
• Хемотрофы, использующие энергию
химических связей
• Согласно источнику углерода:
• Автотрофы производят органические
соединения из неорганических CO2 и
воды
• Гетеротрофы получают органические
соединения (белки, углеводы и жиры)
из питания

3.

• Катаболические реакции (распад
молекул) являются экзергоническими
(сопровождаются выделением
энергии), ∆G<0 (изменение
свободной изменения энергии имеет
отрицательное значение )
• Анаболические реакции (реакции
синтеза) являются эндергоническими
(сопровождаются поглощением
энергии), ∆G>0 ( изменение
свободной изменения энергии имеет
положительное значение)

4.

∆G –изменение свободной энергии ( свободная
энергия – энергия системы, которая может
быть использована для выполнения работы

5.

В живых клетках непроизвольные эндергонические реакции
сопряжены с самопроизвольно протекающими с экзергоническими

6.

В живых клетках АТФ является универсальным
переносчиком энергии от катаболических
процессов к анаболическим

7.

8.

АТФ является представителем
высокоэнергетических соединений,
которые содержат высокоэнергетические
связи (свободная энергия гидролиза более 21 кДж/мол)
• Классификация
высокоэнергетических соединений
• 1. Нуклеозид ди- и трифосфаты
• 2. Ацил фосфаты
• 3. Гуанидин фосфаты
• 4. Енол фосфаты
• 5. Тиоэфиры

9.

Аденозин трифосфат
-Δ G = 30,5 кДж /моль

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Первичный источник энергии –
реакции катаболизма
• Катаболизм – конвергентный процесс. В ходе
реакций катаболизма многочисленные
пищевые вещества (аминокислоты, жирные
кислоты, моносахариды) превращаются в
небольшое число простых молекул –
субстратов окисления, общих для всех классов
макронутриентов.

16.

Стадии катаболизма включают
• 1. Реакции гидролиза (в том числе и в
ходе пищеварения)
• 2. Межуточный обмен, включая общие
пути катаболизма – окислительное
декарбоксилирвание пирувата и
окисление ацетильного остатка в цикле
трикарбоновых кислот
• 3. Тканевое дыхание (сопряжено с
окислительным фосфорилированием)

17.

18.

• Окислительное
декарбоксилирование
пирувата и цикл трикарбоновых кислот –
общие пути катаболизма, общие для всех
классов макронутриентов (белков, жиров и
углеводов), поскольку все они в ходе
катаболизма образуют общие простые
интермедиаты
(пируват,
ацетил-КоА,
субстраты ЦТК). Именно на стадии общих
путей катаболизма выделяется большая
часть энергии, заключенной в пищевых
веществах.
• Общие пути катаболизма протекают в
митохондриях.

19.

20.

Окислительное декарбоксилирование
пирувата осуществляется мультиэнзимным
Пируватдегидрогеназным комплексом
состоящим из 3 ферментов и 5 коферментов:
1. Пируват дегидрогеназа (E1-TDP)
2. Дигидролипилоил
трансацетилазы
(E2-липоевая кислота)
3. Дигидролипилоил
дигидрогеназы
(E3-FAD) и 2 слабо связанных
коферментов CoA-SH и NAD

21.

Предшественником ТДФ (тиамин дифосфата является
витамин В1

22.

23.

24.

Витамин В2 – основа коферментов ФАД и
ФМН

25.

Витамин РР – основа коферментов НАД и
НАДФ

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

Цикл TCA: взаимосвязь химических,
биологических и биомедицинских знаний
Chemical mechanism / biological sense
1.
Aldol condensation of acetyl group with oxaloacetate to form citrate
/Transformation of hardly oxidizable acetyl group to more easily oxidizable compound
2. Sequential dehydration of citrate and then hydration of cis-aconitate to change the disposition of OH-group (isomerization)
3. Dehydrogenation of isocitrate and sequential spontaneous decarboxylation of unstable intermediate/Accumulation of high energy electrons in the form
of reducing equivalents (NADH)
4. Oxidative decarboxylation of α-ketoglutarate
/biological sense – see reaction 3
5. Breakdown of high energy С~S bond and accumulation of releasing energy in the form of GTP and sequential transphosphorylation (generation of ATP)
/ Substrate level phosphorylation, allowing to obtain ATP in low partial pressure of oxygen (hypoxia)
6. Oxidative dehydrogenation of succinate / Accumulation of high energy electrons in the form of reducing equivalent (FADH2)
7. Hydration of unsaturated fumarate to form malic acid/
8. Oxidative dehydrogenation of malate and regeneration of oxaloacetate
/ Accumulation of high energy electrons in the form of reducing equivalents (NADH)
Functions of TCA cycle
1. Oxidation of acetyl group – final catabolic pathway common for all types of macronutrients (proteins, carbohydrates and fats).
2.Energy producing process – the source of electrons in the form of NADH and FADH2 for the system of cellular respiration and oxidative phosphorylation
3. Amphibolic role (both catabolic and anabolic). TCA-cycle provides intermediates for synthesis of amino acids (α-ketoglutarate), heme (succinyl-CoA),
fatty acids (citrate), sterols and glucose.
Biomedical and clinical aspects
Metabolic changes in hypoxia, adaptation to hypoxia, antihypoxants, metabolic changes in Diabetes mellitus, obesity and starvation. Mitochondrial
diseases (myo-, neuropathy). Manifestation of hypo- and avitaminosis of vitamins involved in energy providing metabolism.