Обмен веществ включает 3 этапа:
поступление веществ в организм,
метаболизм,
выделение конечных продуктов из организма.
Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания.
Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека - СО2, Н2О и мочевина. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции)реакции, в которых энергия выделяется,т.е. они идут с выделением энергии.
Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).требующие притокаэнергии для их осуществления.
Биологические системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.
Изучением превращений энергии, сопровождающих химические реакции, занимается биоэнергетика, или биохимическая термодинамика.
Свободная энергия и законы термодинамики:
Первый закон - закон сохранения энергии; его можно сформулировать так: общая энергия системы и окружающей среды - величина постоянная. Внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной её части к другой или превращаться из одной формы в другую.
Физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит энтропия.
Если ΔG величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими.
Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.
В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными.
В любой окислительно-восстановительной реакции участвует акцептор электронов (окислитель) и донор электронов (восстановитель). Например:
(1) Сu + О → Сu2+О2-.
Суммарную реакцию (1) можно условно разделить на 2 полуреакции (2), (3):
(2) Сu - 2е → Сu2+.
(3) О + 2е → О2-.
В каждой из них участвует окисленная и восстановленная форма одного соединения; их называют сопряжённой парой, или редокспарой.
Окислительно-восстановительный потенциал— мера способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться).
Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Т.е., у которых это сродство меньше, отдают электрон тем, у кого оно больше.
Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е0'), величина которого непосредственно связана с изменением свободной энергии.
В реакциях дегидрирования электроны и протоны переходят от органических субстратов на коферменты NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ.
Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных коферментов NADH и FADH2 к кислороду через цепь переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий.
Восстановление молекулы О2 происходит в результате переноса 4 электронов. При каждом присоединении к кислороду 2 электронов, поступающих к нему по цепи переносчиков, из матрикса поглощаются 2 протона, в результате чего образуется молекула Н2О. D∙H2+1/2O2→D+H2O+210 кДж/моль
Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевым дыханием, а цепь переноса электронов (ЦПЭ) - дыхательной цепью.
Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию.
Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ, а часть энергии рассеивается в виде тепла
