Введение в обмен веществ, энергетический обмен. Тканевое дыхание. ЦПЭ. Окислительное фосфорилирование

Цели занятия: сформировать представление о метаболических процессах;

сформировать знания о молекулярных механизмах тканевого дыхания и синтезе АТФ, что необходимо для объяснения нарушений метаболизма и функций при гипоксии, анемиях, постреанимационных состояниях.

Задачи обучения: уметь определять связь между обменом веществ и обменом энергии; уметь оценивать энергетический эффект отдельных этапов ЦПЭ;

уметь оценивать патологические состояния организма при действии ингибиторов и разобщителей тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

Основные вопросы темы:

Основные этапы направления обмена веществ. Характеристика и функции катаболизма и анаболизма
Взаимосвязь обмена веществ и энергии. Макроэргические соединения. Цикл АДФ-АТФ
Строение и функции биомембран, их роль в обмене веществ
Механизмы переноса веществ через мембраны
Строение митохондриальных мембран
Методы изучения обмена веществ
Понятие о биологическом окислении.
Строение коферментов – переносчиков протонов и электронов.
Локализация ферментов митохондриальной ЦПЭ. Строение и функции митохондрий.

Окислительное фосфорилирование – основной механизм синтеза АТФ. Хемиосмотическая теория Митчела.
Токсические формы кислорода, ферменты их обезвреживания.

12.Гипоксические и гипоэнергетические состояния. Коэффициент фосфорилирования. Дыхательный контроль.

13.Ингибиторы тканевого дыхания. Разобщители процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

14.Написать формулы коферментов НАД, ФАД, убихинона в окислительной и восстановленной форме.

15.Изобразить в виде схемы локализацию ферментов дыхательной цепи, показать места ингибирования.

Методы обучения и преподавания: практическое занятие – дискуссия

В ходе дискуссии обратить внимание на следующее:

Метаболизм- совокупность всех ферментативных реакций в клетке. Этот высокоинтегративный и целенаправленный процесс выполняет следующие функции:

А) извлечение энергии из окружающей среды

Б) превращение экзогенных веществ в предшественники макромолекулярных компонентов клетки

В) сборку белков, нуклеиновых кислот, жиров и др. клеточных компонентов из этих предшественников

Г) синтез и разрушение биомолекул, необходимых для выполнения специфических функций данной клетки

Метаболизм состоит из анаболических и катаболических процессов. Анаболизм- реакции синтеза структурно-функциональных компонентов клетки, протекают с потреблением энергии. Катаболизм- реакции распада до конечных продуктов обмена, сопровождающиеся выделением энергии. Эти пути неидентичны, их связывает общая стадия, т.н. амфиболические или центральные пути

Выделяющаяся в процессе катаболизма энергия аккумулируется в виде химическое энергии в макроэргических соединениях, в первую очередь АТФ (вторым важным макроэргическим соединением в мышцах служит креатинфосфат). Энергия АТФ может превращаться в другие виды энергии, используемые в процессе жизнедеятельности организма,т.е. АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене: цикл АТФ- АДФ

Катаболизм

АДФ + Н₃РО₄ энергия

Работа АТФ

АТФ обеспечивает нормальное протекание всех функций организма, он является постоянной составной частью всех органов и тканей, локализуется в разных участках клетки.

Важнейшим условием существования клетки и нормального течения обменных процессов в ней являются биологические мембраны. Они выполняют следующие функции:

А) баръерная- обеспечивает избирательный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом клетки с окружающей средой

Б) матричная- обеспечивает взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает оптимальное взаимодействие мембранных ферментов

В) механическая- обеспечивает прочность и автономность клеток и внутриклеточных структур

Г) энергетическая- синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов

Д) генерация и проведение биопотенциалов

Е) рецепторная- горморецепция, обонятельная и др.

Огромная роль мембран в организации метаболизма связана с их относительно большой совокупной площадью и разделением клетки на компартменты. Студенты должны усвоить, что нарушение нормального функционирования мембран приводит к различным заболеваниям (атеросклероз, вирусные и инфекционные болезни, отравления и др.). Лечение часто связано с воздействием на мембраны с целью нормализовать

их функции

Тканевое дыхание – совокупность ферментативных окислительно- восстановительных реакций в клетке, снабжающая организм энергией в доступной для использоваия форме. Этот многоступенчатый процесс начинается с дегидрирования субстрата (малат, сукцинат идр.) с последующей передачей 2 атомов водорода (т.е. 2 электронов и 2 протонов) по цепи дыхательных ферментов на кислород. Ферменты тканевого дыхания сосредоточены во внутренней мембране митохондрий. Перенос протонов и электронов по ми охондриальной ЦПЭ происходит в строгом соответствии со значениями редокс- потенциалов окислительно- восстановительных пар переносчиков от НАДН на убихинон , через цитохромную систему на кислород. Конечным продуктом такого окисления является вода. Окисление водорода различных субстратов кослородом,т.е. образование воды в организме ( и вне организма) сопровождается выделением энергии 210- 230 кДж/моль, часть этой энергии используется для синтеза АТФ

Процесс дыхания сопряжен с синтезом АТФ. Сопряженные реакции синтеза воды и АТФ называются окислительным фосфорилированием. Ряд факторов в организме (гормоны, яяды) могут вызвать разобщение этих сопряженных реакций , что может привести к патологическим состояниям, например, гипоксии.

Контроль: вопросы по теме:

Что такое метаболизм?
Назовите стороны метаболизма.
Что такое катаболизм?
Назовите этапы катаболизма.
Какие этапы связаны с выделением энергии?
Каковы функции анаболизма?
Какие реакции относятся к общим путям катаболизма? Назовите ферменты, участвующие в этих реакциях
Какие реакции называются вспомогательными?
Какие вещества относятся к макроэргическим?

Выполните следующие задания:

№ 1

Выберите условия, необходимые для сопряжения тканевого дыхания и синтеза АТФ: 1.Возникновение электрического потенциала на мембране митохондрий;

2.Возникновение градиента pH по обе стороны внутренней мембраны;

3.Наличие в мембране митохондрий H-АТФ – синтетазы;

4.Наличие в мембране Na/K – АТФазы.

№ 2

При передозировки барбитуратов (амитала) значительно снижается скорость реакций цитратного цикла. Объясните:

1.Какие реакции ЦТК окажутся заблокированными в этих условиях?

2.Что является причиной торможения этих реакций?

№ 3

Выберите причины нарушения синтеза АТФ в митохондриях (гипоэнергетические состояния):

1.Снижение концентрации гемоглобина в крови;

2.Нарушение структуры митохонриальной мембраны

3.Дефицит витаминов B1, B2, PP

4.Ингибирование ферментов цитратного цикла

№ 4

Назовите причины возникновения гипоксии – недостатка кислорода в тканях:

1.недостаток O₂ в воздухе;

2.нарушение легочной вентиляции;

3.нарушение кровообращения,

4.возникновение анемии,

5.действие разобщителей, ингибиторов ферментов ЦПЭ

№ 5

Объясните, правильны ли следующие утверждения:

1.«Окислительное фосфорилирование – основной путь синтеза АТФ в организме, потому что тепловая энергия организма не может быть превращена в другие виды энергии»

2.«Вследствие окисления янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой в ЦПЭ синтезируется 2 моль АТФ, потому что ЦПЭ в этом случае начинается с ФАД – зависимой дегидрогеназы»

№ 6

Ежедневно в организме взрослого человека образуется значительные оличества АТФ, однако, вес тела, его строение и состав за этот период существенно не меняется. Как можно это объяснить?

№ 7

Укажите ферменты митохондриальной ЦПЭ.

1.Малатдегидрогеназа

2.Сукцинатдегидрогеназа

3.Цитохромоксидаза

4.НАДН – дегидрогеназа

5.Каталаза

6.Супероксиддисмутаза

7.QH₂ – дегидрогеназа

8.Изоцитратдегидрогеназа