Лекция 1

БИОЭНЕРГЕТИКА: СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Лекция 1. “Введение в биоэнергетику”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Энергетический минимум жизни.
2. Источники углерода и энергии в биологических системах.
3. История развития биоэнергетики.
4. Понятие о биологическом окислении, его видах, функциях, локализации в клетке.
Ключевые понятия темы: энергопотребление, биоэнергетика, фототроф, хемотроф, аэроб,
анаэроб, хемоорганотроф, хемолитотроф, биологическое окисление, свободное окисление,
субстратное фосфорилирование, окислительное фосфорилирование.
Литература:
1. Иванов К.П. Основы энергетики организма. С.-Пб.: Наука, 2004.
2. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. М.: Мир, 1980.
3. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
Лекция 2. “Энергетические источники жизни”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Природа макроэргической связи.
2. АТФ как универсальный источник энергии.
3. Высоко- и низкоэнергетические фосфаты, высокополимерные фосфаты.
Ключевые понятия темы: нормальная химическая связь, макроэргическая химическая связь,
макроэрг, стандартное состояние системы, свободная энергия, резонансный гибрид,
фосфагены, высокополимерные полифосфаты.
Литература:
1. Иванов К.П. Основы энергетики организма. С.-Пб.: Наука, 2004.
2. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985.
3. Страйер Л. Биохимия. М.: Мир, 1985.
Лекция 3. “Химизм и баланс энергии при субстратном фосфорилировании”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Гликолиз: биологическая роль, молекулярные механизмы аккумуляции энергии.
2. Фосфорокластические реакции.
Ключевые понятия темы: энергетический материал клетки, экзергонический процесс,
анаэробный распад глюкозы, фосфорокластическая реакция.
Литература:
1. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985.
2. Мари. Р., Греннор Д. Биохимия человека. М.: Мир, 1993.
3. Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1987.
Лекция 4. “Аэробное окисление органических веществ”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Накопление энергии при окислительном декарбоксилировании α-кетокислот.
2. Цикл Кребса: энергообразующая функция, баланс энергии, регуляция.
3. Анаплеротические реакции цикла Кребса.
4. Энергетическая значимость пентозофосфатного пути.
Ключевые понятия темы: амфиболичность, анаплеротическая реакция, энергетический выход
полного окисления глюкозы, КПД дыхания.
Литература:
1. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
2. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985.
3. Страйер Л. Биохимия. М.: Мир, 1985.
Лекция 5. “Митохондрии как преобразователи энергии”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Химический состав и структура митохондрий.
2. Способы переноса электронов.
3. Дыхательная цепь транспорта электронов.
Ключевые понятия темы: кристы, матрикс, дыхательная цепь, гидрид-ион, восстановительный
эквивалент, окислительно-восстановительный потенциал, первичный донор электронов,
конечный акцептор электронов.
Литература:
1. Болдырев А.А. Введение в мембранологию. М.: Изд-во МГУ, 1990.
2. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1972.
3. Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1987.
Лекция 6. “Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Локализация пунктов сопряжения в дыхательной цепи.
2. Механизм сопряжения работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ.
3. Генераторы мембранного потенциала внутренней мембраны митохондрий.
Ключевые понятия темы: сопрягающая мембрана, эстафетный механизм передачи протона,
генератор мембранного потенциала, генератор гидролитичемкого типа, трансгидрогеназная
система митохондрий.
Литература:
1.Болдырев А.А. Введение в мембранологию. М.: Изд-во МГУ, 1990.
2. Николс Д. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985.
3. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1972.
Лекция 7. “Эффективность окислительного фосфорилирования”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Характеристика состояний митохондрий.
2. Эффективность окислительного фосфорилирования.
3. Разобщающие агенты и ингибиторы процесса окислительного фосфорилирования.
4. Фракционирование и реконструкция комплексов дыхательной цепи.
5. Универсальная роль биологических мембран в энергообеспечении животных, растительных
и бактериальных клеток.
Ключевые понятия темы: дыхательный контроль, олигоферментные комплексы дыхательной
цепи, разобщающие агенты, ингибиторы процесса окислительного фосфорилирования.
Литература:
1. Болдырев А.А. Введение в мембранологию. М.: Изд-во МГУ, 1990.
2. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1972.
3. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
Лекция 8. “Явления запрограммированной смерти”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Митоптоз – запрограммированная гибель митохондрий.
2. Апоптоз - запрограммированная гибель клетки.
3. Органоптоз - запрограммированная гибель органа.
4. Феноптоз - запрограммированная гибель организма.
Ключевые понятия темы: митоптоз, апоптоз, органоптоз, феноптоз.
Литература:
1. Скулачев В.П. Явления запрограммированной смерти // СОЖ. – 2001. – т. 7. – С. 2-6.
2. Лихтенштейн А.В. Рак как запрограммированная гибель организма // Биохимия. – 2005. – т.
70. – С. 1277-1288.
Лекция 9. “Интеграция и регуляция энергетического обмена”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Молекулярные механизмы, лежащие в основе эффекта Пастера.
2. Участие челночных систем в окислении немитохондриального НАДН.
3. Транспортные системы митохондрий.
4. Альтернативные пути транспорта электронов.
Ключевые понятия темы: остаточное дыхание, симпорт, антипорт, калоригенность, челночная
система.
Литература:
1. Болдырев А.А. Введение в мембранологию. М.: Изд-во МГУ, 1990.
2. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1972.
3. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
Лекция 10. “Особенности регуляции энергообмена в экстремальных условиях”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Метаболические различия органов человека.
2. Адаптация организма к кратковременному и продолжительному голоданию.
Ключевые понятия темы: кетоз, энергетические ресурсы организма.
Литература:
1. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
2. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. М.: Мир, 1980.
Лекция 11. “Альтернативные функции клеточного дыхания”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Биохимические основы терморегуляции у человека, высших животных и растений.
2. Дыхание как механизм образования необходимых веществ.
3. Дыхание как механизм обезвреживания токсичных веществ.
4. Дыхание как механизм, ускоряющий эволюцию.
Ключевые понятия темы: пойкилотермность, гомойотермность, термогенин, бурый жир,
термоизлучение, термопроведение, шаперон, белок холодового шока, К- и r-стратегия.
Литература:
1. Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1987.
2. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. М.: Мир, 1980.
3. Энгерт Р., Ренделл Д. Физиология животных. М.: Мир, 1991.
Лекция 12. “Механизм и энергетика мышечного сокращения”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Механизм мышечного сокращения.
2. Энергетика мышечного сокращения.
Ключевые понятия темы: саркомер,
кислородная задолженность.
Т-система,
миокиназная
реакция,
Литература:
1. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
2. Энгерт Р., Ренделл Д. Физиология животных. М.: Мир, 1991.
миофибрилла,
Лекция 12. “Активные формы кислорода и оксидативная модификация
макромолекул”.
Рассматриваемые вопросы:
1. Активные формы кислорода: виды, пути образования в клетке.
2. Нефосфорилирующее дыхание как механизм, предотвращающий образование активных
форм кислорода.
3. Дефосфорилирующее восстановление.
Ключевые понятия темы: активные формы кислорода, антиоксиданты, “мягкое разобщение”,
дефосфорилирующее восстановление, нефосфорилирующее дыхание.
Литература:
1. Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика. Киев: Наука, 1989.
2. Энгерт Р., Ренделл Д. Физиология животных. М.: Мир, 1991.
БИОЭНЕРГЕТИКА: КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ И ТАБЛИЦЫ
Цитозоль
Митохондрия
НАД+
НАДН
+ Н+
Глицерол-3-фосфат
Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа
Дигидроксиацетонфосфат
Глицерол-3-фосфат
ФАД+
Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа
Дигидроксиацетонфосфат
ФАДН2
Дыхательная
цепь
Глицерофосфатный челночный механизм переноса восстановительных эквивалентов из цитозоля в митохондрию
Строение дыхательной цепи митохондрий.
Y
А
ВН2
Y-ВН2
C
АН2
В
Y~B
CН2
Х
Х~Y
Фн
Y
Х~ Фн
АДФ
Х
АТФ
Гипотетическая химическая модель окислительного фосфорилирования.
А, В, С – переносчики дыхательной цепи
X, Y – белки внутренней мембраны митохондрий (либо функциональные группы одного митохондриального белка).
Мембрана
Цитозоль
Митохондрия
НАД+
Малат
Малат
НАДН
+ Н+
1
Малатдегидрогеназа
Малатдегидрогеназа
Оксалоацетат
Трансаминаза
Оксалоацетат
α-КГ
НАД+
α-КГ
НАДН
+ Н+
Трансаминаза
Глутамат
Глутамат
Аспартат
Аспартат
2
Н+
Н+
1 – переносчик α-кетоглутарата,
2 – переносчик аспартата и глутамата
Малатный челночный механизм переноса восстановительных эквивалентов из цитозоля внутрь митохондри
Протонная АТФаза состоит из двух отдельных частей: F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, ответственной за транспорт
протонов, и F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ.
Общий план строения F1-части АТФазы: α3β3∂ε. Каталитический центр образован β-субъединицы, ε-субъединица подавляет
АТФазную активность фермента, α-субъединицы выполняют защитную функцию по отношению к активному центру.
Строение протонной АТФазы митохондрий
Локализации пунктов сопряжения окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи митохондрий.
Таблица. Стандартная свободная энергия гидролиза основных фосфорилированных соединений
Соединение
фосфоенолпируват
1,3-дифосфоглицерат
креатинфосфат
ацетилфосфат
аргенинфосфат
АТФ
АДФ
АМФ
глюкозо-1-фосфат
фруктозо-6-фосфат
глюкозо-6-фосфат
глицерол-1-фосфат
ΔGº, ккал/моль
-14,8
-11,8
-10,3
-10,1
-7,7
-7,3
-7,3
-3,4
-5,0
-3,8
-3,3
-2,2
Внутренняя
мембрана
митохондрий
Межмембранное
пространство
Н2РО4
1
-
Матрикс
митохондрии
ОН
-
НРО4 2
малат
малат
3
α-кетоглутарат
цитрат + Н
+
АТФ
4
малат
5
АДФ
пируват
6
Н
+
1 – переносчик фосфата, 2 – переносчик дикарбоксилатов, 3 – переносчик α-кетоглутарата, 4 – переносчик трикарбоксилатов, 5 –
переносчик адениновых нуклеотидов, 6 – переносчик пирувата.
Транспортные системы митохондрий.
Энергетический обмен при голодании
Концентрация веществ в плазме
крови, ммоль/л
6
5
Содержание жирных кислот и кетоновых тел в крови при голодании
увеличивается, а содержание уменьшается.
4
3
2
1
Параметры энергетического
обмена
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Время голодания, дни
глюкоза
кетоновые тела
жирные кислоты
Использование энергетических
ресурсов в мозгу
Глюкоза
Кетоновые тела
Расход глюкозы в других органах
Мобилизация энергетических
ресурсов
Липолиз в жировой ткани
Расщепление мышечных белков
Образование источников
энергии в печени
Глюкоза
Кетоновые тела
Образование и использование
энергетических ресурсов в течение
суток, г
3-ий день
40-ой день
100
50
40
100
50
40
180
75
180
20
150
150
80
150