Введение в молекулярную биофизику Лекция 8 Трансформация энергии в клетках

План лекции: Трансформация энергии в клетке. Дыхание. Фотосинтез. Моделирование процессов фотосинтеза. Введение в молекулярную биофизику. Лекция 8.

Цикл углерода СО 2 в атмосфере и воде Животные Растения Гумус и растворенные органические вещества Осадочные породы и ископаемое топливо ДыханиеФотосинтез

Метаболизм (обмен веществ) набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Катаболизм - процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм - совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование составных частей клеток и тканей. Аденозинтрифосфат (АТФ) Обмен веществ

хлоропласт митохондрия hv АТФсахара СО 2 О2О2 сахара метаболиты СО 2 О2О2 АТФ окислительное фосфорилирование Цикл Кребса АТФ в метаболизме клеток растений АТФ – универсальный источник энергии в биохимических процессах

Упрощенная схема катаболизма БелкиЖирыУглеводыАминокислоты Жирные кислоты Моносахариды Ацетил-КоА Цикл Кребса НАД + НАДН АДФ АТФ Окислительное фосфорилирование

АТФ в метаболизме клеток растений АТФ АДФ H2OH2OH2OH2O H2OH2OH2OH2O + Солнечная энергия или из пищи Энергия высвобождается для работы клетки и биосинтеза Запасание энергии в виде макроэргических связей Фосфоангидридная связь ΔG = -7.3 ккал/моль

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) – центральный интермедиат окислительного катаболизма, выполняет функцию переносчика электронов и водорода, которые принимает от окисляемых веществ. Восстановленная форма (NADH) способна переносить их на другие вещества. НАД + НАДН Никотинамидадениндинуклеотид (НАД)

Пространственное разнесение этапов катаболизма Пируват (пировиноградная кислота) Глюкоза Сахара и полисахариды Жиры и жирные кислоты Сахара Глюкоза Пируват Жирные кислоты Ацетил-Ко-А Митохондрия Цитозоль Плазматическая мембрана

Синтез полисахаридов

Синтез белков

Синтез нуклеиновых кислот

Роль ферментов в биологических системах Ферменты снижают величину энергетического барьера, необходимого для протекания химической реакции и позволяют более полно использовать энергию окисления Сахар + O 2 Малые энергетические барьеры, преодолимые при температуре тела благодаря ферментативным системам Высокий энергетический барьер, преодолеваемый нагревом Прямое горение сахараФерментативное окисление в клетке Вся свободная энергия переходит в тепло Активированные молекулы-носители сохраняют энергию Энергия СO 2 + H 2 O

Клетки получают энергию путем окисления биологических молекул либо за счет фотосинтеза Окисление – явление отдачи электрона (дегидратация АН А+е - +Н + ) Восстановление – явление присоединения электрона (гидратирование: А+е - +Н + АН) метанметанолформамид муравьиная кислота диоксид углерода окисление восстановление Окисление и восстановление

Метаболизм в митохондриях O2O2 O2O2 ПируватЖирные кислоты Молекулы пищи из цитозоля: ПируватЖирные кислоты Ацетил-Ко-А Цикл Кребса СO2СO2 СO2СO2 НАДННАД+ е-е- 2Н 2 O Н+Н+ Н+Н+ Н+Н+ Н+Н+ Н+Н+ АДФ АТФ +РАДФ +Р Внешняя мембрана Внутренняя мембрана

Схема типичных реакций метаболизма Красным изображены реакции гликолиза и цикла Кребса

Фотосинтез Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) СО 2 Сахар НАДФН АТФ Фото-активируемые реакции Темновые реакции hv

Фотосинтез Светозависимая стадия: 1 этап: поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. 2 этап: разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронно-транспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Темновая стадия: 3 этап: биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии (без обязательного участия света) Общее уравнение фотосинтеза СО 2 +Н 2 О [CH 2 O]+O 2 hv

Фотосинтез. Поток электронов и протонов.

Процесс переноса электронов. Общие черты. Митохондрии Хлоропласты Создание градиента H+ в митохондриях и хлоропластах

Трансформация энергии в мембранах Описание процессов трансформации энергии в клетке одна из задач молекулярной биофизики КинетикаКинетика (описание неравновесных процессов) ТермодинамикаТермодинамика (описание равновесных процессов) Электродинамика и электростатикаЭлектродинамика и электростатика (перенос электронов, трансмембранный потенциал) Квантовая механикаКвантовая механика (процессы переноса электронов в электронно-транспортной цепи, фотовозбуждения и флуоресценции)

Модели первичных процессов переноса электронов Реакция переноса электрона между двуся подвижными переносчиками С1 и С2, взаимодействующими с внешними донором (D) и акцептором (A): Кинетические уравнения: Верхний индекс «0» – окисленные формы, «1» - восстановленные, k i - константы скоростей реакций Уравнения материального баланса (количество переносчиков остается постоянным): ! применимо только в случае независимости редокс-состояний переносчиков, т.е. в условиях равновесия в темноте исходные концентрации окисленных и восстановленных форм задаются потенциалом среды: Уравнение Нернста Е 1/2 – нормальный потенциал полувосстановления

Термодинамический подход АДФ + Р АТФ k+k+ G 0 = H 0 – T S 0 G 0 = H 0 – T S 0 K АДФ + Р АТФ АТФ АДФ + Р k-k- v + =v -