ЛЕКЦИЯ № 4. Химическая основа метаболизма. Основные понятия. План лекционного занятия. Литература

ЛЕКЦИЯ № 4

Химическая основа метаболизма

Основные понятия

Метаболизм, химизм, биополимеры, пластический обмен, энергетический обмен.

План лекционного занятия

1 . Отбор химизма для метаболизма

2 . Химизм жизни

3 . Особенности процесса метаболизма

4 . Пластический обмен

5 . Энергетический обмен

Литература

1 . Химический энциклопедический словарь . М. : Советская энциклопедия , 1983.

2 . Игамбердиев А.У. Закономерности метаболических трансформаций и порождение пространственно - временной организации биосистем // Журнал общей биологии. -1992 . - Т.53 , N4 . - С.521 -541 .

3 . Цебржинский О.И. Избранные лекции по антропологии. - Харьков: АСМИ , 2003 .

4 . Зайчик А.Ш. , Чурилов А.П. Основы общей патологии. - Т.1 . -СПб : ЭЛБИ -СПб , 1999; Основы патохимии . - Т.2 . -СПб : ЭЛБИ -СПб , 2000 .

5 . Мушкамбаров Н.Н. , Кузнецов С.Л. Молекулярная биология . -М . : МИА , 2003 .

6 . Цебржинский О.И. Избранные лекции по антропологии. - Харьков: АСМИ ,

2003 .

7 . Дайсон Ф.Д. Сделайте мне слонопотама / / Химия и жизнь. -2007 . - № 1 . -

С.13 -15.

Отбор химизма для метаболизма. С точки зрения химии жизнь представляет собой особо организованную группу реакций, преимущественно органических веществ (метаболизм), в основе которой находятся соединения углерода и водорода . Эти элементы принципиально отличаются от всех других тем , что в их атомах количество валентных электронов равно числу валентных ячеек ( для С = 2s1 , 2Р3 , для Н = lsl ) , т.е. максимальное число отданных и принятых электронов равно ( +4 и -4 для С , +1 и -1 для Н). Связь С-Н - малополярна , полярность привносят другие элементы . Реакции последних могут быть радикальными ( в них участвуют частицы с неспаренными электронами ) и ионными (участвуют электрофилы - катионы и нуклеофилы - анионы). Подавляющее большинство реакций метаболизма каталитические (преобладает кислотно - основной катализ , фактически и гомогенный и гетерогенный ) . Ионы представлены в ионных и комплексных органических соединениях. Водород состоит из электрона и протона; транспорт электронов является окислительно - восстановительным процессом, транспорт протона - кислотно - основным. Углерод легко образует гомоцепи ( персоединения ) , δ - и π -связи в трех состояниях гибридизации валентных электронов - sp3 , sp2 , sp , циклы , ароматические системы, гетероциклы. Из трех возможных малодиссоциированных полярных растворителей (2NH₃ = NH₄ ⁺ + NH₂ - ; 2Н₂0 = Н₃О ⁺ + ОН ^- ; 2HF = H₂F ⁺ + F ^- ) на Земле отбор прошла вода ( прочная цепь молекул связанных водородной связью в жидкую форму в термодинамических условиях поверхности планеты). Производные N , О , S , F , Н могут быть лигандами для Са , Mg , Zn , Fe , Ni , Co (и , редкий случай , для иона кобальта может быть лигандом - СН3 ) , Cu , Mo , W , Mn и других катионов .

Указанные эти особенности редко, но присутствуют в других элементов (гомоцепи до 10 атомов О , S , N , Si ; ароматический гетероцикл боразол B₃N₃ ; полимеры mА1₂0₃ • nSi0₂ , неорганические катализаторы ) , хотя неорганика известна пока земная . Более 100 химических элементов могут дать разнообразие свойств, пригодных для живого: ведь сама электронная структура атома кодирует и определяет его свойства и возможности образования определенных по свойствам и составу химических веществ . Так , С в sp3 - aбo sp 2 - гибридизации , Si0₂ , металлы образуют различные типы кристаллов [ 1]. Если И. Шкловский в первых изданиях книги « Вселенная . Жизнь . Разум »писал о возможности других форм жизни и разума и встречи с ними , то в последнем издании отрицал все это.

Уже с химизма мономеров происходил отбор конформеров (поворотных изомеров), изомеров , симметрии . Поляризованный атмосферой свет мог влиять на предпочтения определенного оптического изомера . Следует отметить , что большинство мономеров являются соединениями со смешанными функциями (аминокислоты - амфотерный через карбоксильной кислой и аминной щелочной групп моносахара является оксополиоксисоединениями, мелатонин - амфифильным веществом из-за наличия полярной и гидрофобной частей в молекуле) , причем преобладают соединения , где углерод находится не в крайних степенях окисления, то есть более восстановлен, чем в С0₂ .

Химизм жизни основан на биополимерах - нуклеиновых кислотах, белках, углеводах и липидах [ 2 , 3 ] . Многообразие функций амфифильных и амфотерных белков (ферментативная, структурная, транспортная, сократительная, гормональная, рецепторная, адгезивная, иммунозащитная, токсическая), основанные на их способности обратимо связываться с различными метаболитами [ 4 ] , определило их роль в теоретической биологии с XIX по конец XX веков ( см. дефиницию жизни Ф.Энгельса - жизнь есть форма существования белковых тел ...). Дело в том, что комбинации ( 10ⁿ ) различных по типу радикалов аминокислот (20 видов) в цепи белка могут дать возможности комплементарности (взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов) с различными веществами. Меньше функций у нуклеиновых кислот (хранение, перенос, реализация наследственной информации) , углеводов и липидов ( энергетическая , структурная , регуляторная ) . Отметим , что у человека многие гены находятся в определенном полиморфном состоянии, причем каждому гену соответствует около 3 белков благодаря посттрансляционной модификации; в свою очередь обычно каждый белок имеет несколько функций. Если белки малоустойчивы соединения, то ДНК более стабильные [ 5 ] . Видимо, вирусы - это обрывки информационного материала и его транспортеры, клеточные паразиты, регулирующие численность организмов , но сами ими не являются (отсутствие собственных систем энергетического обмена и синтеза белка) . Своим химизмом живое адаптирует под себя среду (образование почвы , осадочных пород , буферная регуляция стабильности концентрации 0₂ в атмосфере ) .

Процессы метаболизма имеют следующие существенные особенности: а ) химические реакции катализируются очень активно и специфически (по типу реакции и к субстрату ) белковыми катализаторами - ферментами , хотя первые ферменты были по природе рибонуклеиновой кислоты ( рибозимы ), б) в каждом блоке метаболизма из нескольких реакций строго регулируются гормонами ферменты 1-2 реакций (ключевые ферменты синтеза гема , холестерина , желчных кислот, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов), продуктами по типу обратной отрицательной связи, в) все реакции четко локализованы в определенных структурах ( мембранные образования , цитоскелет ; органы , ткани; популяции видов), причем эти структуры являются заторможенными , застывшими процессами ; метаболические процессы объединяются в циклы , пути, каскады. То есть пластический (создание структур) и энергетический (извлечение и запасания энергии света или окисления в макроэргических соединениях и мембранном потенциале для транспорта синтеза биополимеров ) обмены строго регулируемых, что снижает в живом прирост энтропии.

Пластический обмен - это синтез для мембран и цитоскелета в эндоплазматической сети липидов, полисахаридов, белков их обновления заменой, образования в аппарате Гольджи из них между собой комплексов с адресными указателями в определенный органоид клетки. У растений энергия света трансформируется в мембранный потенциал, а затем в АТФ и НАДФН(Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т — широко распространённый в природе коферментнекоторых дегидрогеназ — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в живых клетках). для фиксации С0₂ (ключевой фермент - рибулезо -1 ,5 - дифосфаткарбоксилаза / оксигеназы ) в фотосинтезе с образованием углеводов. Синтез холестерина , желчных кислот и детоксикация жирорастворимых токсинов ( легко проходят мембраны ) связаны с микросомальным окислением , где функционирует цепь : НАДФН -> ФАД -> цитохром b5 -> цитохром Р450 ; последний проводит реакцию ( RH + 0₂ + НАДФН + Н + = ROH + Н₂0 + НАДФ⁺), затем трансферазы образуют водорастворимое вещество, которое не имеет активного трансмембранного переноса и получается фильтрацией с мочой ( ROH + НХ = ROX + Н₂0 , где НХ - серная или глюкуроновая кислоты , глицин или таурин , глютатион ) .

Энергетический обмен связан с мембранным потенциалом, синтезом макроэргов (прежде всего АТФ и ее распадом). Есть фотосинтетическое фосфорилирование, субстратное; больше АТФ образуется при окислительном фосфорилировании в митохондриях животных. Сначала происходит распад биополимеров на мономеры , затем из них образуется уксусная кислота, которая сгорает в митохондриальной цикле трикарбоновых кислот до С0₂ и НАДН. Последний дает водород в электронно - транспортную цепь внутренней митохондриальной мембраны : НАДН -> ФМН ( ФАД ) -> KoQ -> цитохромы b1 и b -> цитохромы с1 и с -> цитохромоксидазы ( цитохромы а и а3 ) . К KoQ передается Н , но отсюда электроны (е - ) идут по цепи дальше, а протоны ( Н ⁺ ) выталкиваются из мембраны . Цитохромоксидазы ( цитохромы а и а3 и два иона меди ) соединяет четирехэлектронним переносом Н + и е - с 0₂ , образуя воду ( 4Н⁺ + 4е - + 0₂ = 2Н₂0 + Е). Энергия ( Е) этого окисления ( электрический потенциал транспорта электронной и потенциал рН - транспорт Н ⁺ ) образует мембранный потенциал. На участках между НАДН и ФАД ( FeS - белки ), цитохромами b и b1, в цитохромоксидазах ( цитохромы а и а3 ) величина мембранного потенциала достаточна для образования АТФ ( АДФ + Н_ЗР0₄ + Е = АТФ + Н₂0) , здесь локализован Н ⁺ - АТФ -аза ( мембранный канал для протона и каталической субъединицы ) , которая и проводит реакцию. В 1978 г. П.Митчелл получил Нобелевскую премию за хемиоосмотическую теорию сообщения мембранного потенциала и фосфорилирования ( работа приложено одновременно с докладами об открытии структуры ДНК Дж.Уотсона и Ф. Криком в 1961 г. на Международном съезде биохимиков в Москве) [ 6 ] .

Таким образом, в основе метаболизма живого лежат общие центральные звенья - циклы (трикарбоновых кислот , орнитиновый , Кори , пентозофосфатный, глиоксалатний , этапы β - окисления или биосинтеза жирных кислот , использования мономеров в пластическом обмене , круговорот биоэлементов в биосфере) , пути ( обычно фрагменты циклов - синтез или распад гликогена) , каскады ( с увеличением числа молекул в каждом звене , обычные в регуляторных процессах). Необходимость заставляет биохимическую композицию образовывать некоторые экзотические соединения , так, например , при наличии в питательной среде вместо аминокислоты триптофана 4 фтортриптофана у бактерий возникает генетическое кодирование последнего , у высших эукариот возник генетический код для селеноцистеина, в некоторых тропических растений образуется фторацетат из неорганического фторида , простейшие усваивают кремний , при ферментативном распаде гема и кверцетина образуется токсичный CO, используются активные радикальные формы кислорода и NO .

Гетеротрофность (неспособность организмов синтезировать органические вещества) и автотрофность (способность организмов синтезировать органические вещества из углекислого газа и нитратов (или аммониевых соединений), используя для этого внешний источник энергии), анаэробные и аэробные определяют критерии классификации типов метаболизма - пластического и энергетического обменов. Весьма существенным в метаболизме представляется роль неферментативного процесса, от которых живое пыталось избавиться, превращая их в регулируемые. К таким процессам относятся некоторые прооксидантные и антиоксидантные , преобразования пирувата с энольной формой в кетоновы , реакция Майярда ( альдегидов с аминами ) и другие.

Холистический подход к живому как целостной системе сейчас оказался в интерактомике по Трею Айдекеру (интерактомика – это синтез биологии, информатики и инженерии. В данной области используются экспериментальные методы, позволяющие получить большой объем данных для определения взаимодействий на молекулярном и клеточном уровнях). Последняя представляет процессуальный подход к метаболизму как единства взаимодействий генов, белков, метаболитов [ 7 ] .